膜的污染及其控制方法

膜的污染及其控制方法
膜的污染及其控制方法

摘要：膜的污染问题大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染。对各自形成的机理或原因进行了分析，并且提出了相应的控制方法。
关键词：膜沉淀污染吸附污染生物污染机理控制方法
　　膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象［１］。
　　实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。据调查，就超滤而言，污染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽［２］。对膜污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除它的不良影响。
　1　沉淀污染
　　以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)和微滤(MF)。根据不同膜与水中微粒的相互关系［３］，可知沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。
　　当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。
　　设在溶液中有化学反应：x Ay－＋y Bx＋＝AxBy
　　当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积Ksp＝ γxA［Ay－］xγyB［Bx＋］y为常数。其中，γA、γB为自由离子A和B的平均活度系数；［A］，［B］为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。平均活度系数可用离子强度［I ］的函数来估测：
logγA＝－0.509 ZAI1/2，
logγB＝0.509 ZBI1/2；
ZA、ZB为自由离子的化合价。对稀溶液，如大多数天然水体，其活度系数γA、γB近似等于1。
　　如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为Cf，Cr，Cp。

　图1　膜系统中不同位置的溶质浓度
　　由阻截率知：
　R＝1－Cp/Cf(1)
　　　设系统回收率为r，由物料平衡，知：
　Cf－(1－r)Cr＝rCp(2)
　　　由式(1)，(2)可得：
　Cr＝Cf［1－r(1－R)］/(1－r)(3)
　　由(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度Cr，随进水浓度Cf，回收率r和截留率R的增加而增加。此时，被截留的浓缩液溶度积Kspr＝γAx [Ay－]xrγBy[Bx+]ry。当浓缩液溶度积Kspr与溶液溶度积Ksp的比值大于1时，就存在着盐析出的可能性。
　　实际上，方程(3)低估了促进沉淀生成和结垢的盐浓度，因为其推导中未考虑浓度极化。鉴于这个原因，引入浓度极化因子PF(边界层与溶液中浓度之比值，大于1)，PF值通常可用回收率r的指数函数的形式来估计，
　PF＝exp(K×r)(4)
　　其中K为半经验常数，对于商业应用的RO膜组件，取值为0.6～0.9，结垢在RO装置的最后几个单元中(即在浓度最高的地方)最先形成。
　　避免沉淀污染的方法主要是减少离子积中阳离子或阴离子的浓度。例如，添加酸可减少氢氧化物和碳酸盐的浓度，使金属离子沉淀难以生成。原水可通过石灰软化沉淀或离子交换等预处理方法去除易结垢的金属离子(如Ca2＋、Mg2＋等)。还可以加入阻垢剂，例如磷酸六甲基，以阻碍沉淀生成。
2　吸附污染
　　有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。腐殖酸和其他天然有机物(NOM) 即使在较低浓度下，对渗透率的影响也大大超过了粘土或其它无机胶粒［４］。
　　与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。带负电荷功能团的有机聚合电解质(如腐殖酸和富里酸)会与带有负电荷的膜表面之间存在静电斥力。用在水和废水处理中的聚砜、醋酸纤维树脂、陶瓷和薄表层复合膜表面都带有一定程度的负电荷。一般来讲，膜表面电荷密度越大，膜的亲水性就越强。而疏水作用可增加NOM在膜上的积累，导致更严重的吸附污染。
　　根据化学组成，可识别造成膜污染的NOM中的特定组分。利用热解气相色谱(GC)/质谱(MS) 分馏技术，识别出多糖和多羟基芳香族化合物是地表水和岩溶地下水中的两种主要组分。试验证明，多羟基芳香族化合物比多糖吸附污染严重得多［５］。
　　NOM除对膜的直接吸附污染外，对胶体在膜上的粘附沉积也起着重要作用。对沉积层中天然水体出现的有机污染物种类和它们的相对浓度分析表明，聚酚醛化合物，蛋白质和多糖与胶体粘附在一起沉积到膜上，并且在膜表面形成凝胶层。因此，吸附污染和水中有机物形成凝胶层的稳定性影响了纯水力清洗的效率。纯水力清洗的方法有反冲洗，快速脉冲或横向流反向冲洗。用作膜化学清洗的试剂必须能有效溶解凝胶层中的有机化合物。因此，用作膜的化学清洗的溶液通常由苛性物质和酶剂组成。　　

1　2　3　4　5　6