超滤膜污染的主要成因分析

朱轩慧 唐玉兰

摘要：膜污染是制约膜应用的主要原因，综述了膜污染的主要成因和改性方法，并对控制膜污染进行了展望。

关键词：膜污染；膜寿命；膜改性

膜的分离技术因为具有节能、高效、清洁等优点，而被许多研究者关注。膜的分离技术早在20世纪初就出现了，20世纪60年代后迅速崛起。迄今，已在各个领域广泛应用，如水处理、食品、环保、能源、电子、医药、化工、石油、生物、冶金、仿生等领域，而且在各个领域都发展的很快。然而，膜的寿命和膜污染严重制约了其应用，尤其是水处理领域。

一、膜污染及改性方法

超滤膜受到污染的原因主要有以下三个方面：表面的附着、颗粒的阻塞、表面的吸附；如果一个膜能够最大限度的克服这三个方面的污染，那么这个膜只要通过最简单的反冲洗就可以达到非常理想的清洗效果，从而可以更好的应用于大规模的水处理工程中。

第一，表面的附着，在实际滤水过程中，可以通过定期加入次氯酸钠来杀菌，这个方法可以用来杜绝膜的表面吸附着；

第二，在膜的制造过程中，可以通过严格的质量检验，观察到如果膜的孔径分布很窄，并且没有大孔缺陷，就能很高效的克服颗粒的阻塞；

第三，为了克服表面的吸附，可以利用亲水性永久的膜材料，通过这种方法可以很好的克服膜表面的吸附对膜造成的污染。如果克服了这三方面的污染问题，也就能保证了超滤膜组件在大规模水处理工程应用中的可靠性。

膜污染是膜过滤技术的一个主要挑战。在膜操作期间，胶体、微生物和天然有机物质（NOM）的积累是结垢的主要原因。当膜污染累积时，流量下降并且操作压力也会增加。如果膜很脆弱，容易损坏，则需要更频繁的进行物理和化学清洗，而最终会导致更短的膜寿命。因此，已经进行了许多研究来改善膜的耐污染性。根据过去的研究，膜污染主要是由骨架材料的内在疏水性引起的。几个研究已经表明，膜污染的抗性可以通过增加膜的亲水性来改善。已经有研究证明了几种方法可以改善膜的亲水性。这些方法可以分为表面涂层，表面接枝和界面聚合。但是，这些方法具有几个缺点。

例如，表面涂层是使用物理吸附，从溶液涂覆薄膜上的水溶性聚合物或表面活性剂的薄层，涂层通常是不稳定的，并且可以在膜操作期间被洗掉。为了在膜表面上引入官能团，表面接枝需要额外的步骤，例如UV光引发，氧化还原引发，γ射线引发或等离子体引发，这使得表面接枝不适用于大规模工业制造。界面聚合通常在高度危险的条件下进行。最近应用于改善膜的亲水性的另一种方法是共混改性。在共混改性方法中，在膜制备过程中，在膜浇铸溶液中加入添加剂（例如亲水性聚合物，两亲性聚合物和两性离子聚合物）当将共混改性方法与其它改性方法比较时，共混改性方法是简单的并且适用于大规模工业制造。

在共混改性中，共聚物已经用于改善超滤膜的亲水性。几个研究表明，通过将共聚物加入到流延涂料中，通过相转化技术浇铸的膜的亲水性和耐污染性已经显着改善。

两亲共聚物通常用于共混改性方法中，因为这种类型的共聚物中的疏水链段可以与膜主链基质物理结合，而亲水链段将在膜表面上延伸以增加膜亲水性。

由于高孔密度，共聚物的自组装可以导致均匀的孔径分布和高通量。具有均匀孔径的膜可以比具有宽孔径分布的膜表现出更好的选择性。通常，制造没有任何结构缺陷的膜是不容易的。如果存在诸如大孔的缺陷，则大多数颗粒或分子将首先通过这些孔，因为它们具有最小的电阻。自组装是下一代超滤膜制造，因为它可以形成具有高孔密度的无缺陷膜。这样的膜具有高通量和优异的分子量截止。

二、膜寿命

膜寿命是指膜可用于过滤而不用新膜替换的时期。膜寿命与膜骨架材料的性质有关。膜骨架材料是用于浇铸膜的主要材料。在膜过滤过程中，由于胶体、微生物和天然有机物质的积累将发生膜污染。膜结垢是我们不希望看到的现象，因为它降低了膜过滤过程的效率。为了保持膜的性能，需要进行清洗过程。由于必要的清洁过程（例如，空气冲洗，反向冲洗和化学清洁）以维持膜的性能，膜主链材料的固有性质对于膜寿命是必需的。优异的骨架膜材料应当具有优异的物理性能（例如，鲁棒的机械强度）和化学性质（例如酸和碱电阻）。用于制备膜的普通聚合物包括聚偏二氟乙烯（PVDF），聚四氟乙烯（PTFE），聚醚砜（PES），聚丙烯（PP），聚氯乙烯（PVC），聚砜（PSF）等。近年來，PVC和PVDF膜由于其良好的物理和化學性质已经用于许多应用中。

三、展望

虽然可以通过增加反冲洗强度和频率、改善原水的预处理技术以及提高膜表面流速等操作条件来控制膜污染，但这些方法只能在一定程度上减轻膜污染的现象，并不能从根本上解决膜污染的问题。因此，在今后的研究中，应该去寻找新的制膜方法。目前对PVDF膜亲水改性的方法可归结为本体改性和表面改性两大类，前者主要通过在膜材料中引入极性基团以从整体上改善膜的亲水性，后者主要是通过在膜表面引入极性基团以提高膜的亲水性。综上，膜的亲水性的改良、抗污染性能的提高是解决膜污染问题的根本途径。

参考文献：

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作者简介：朱轩慧（1991），女，辽宁鞍山人，硕士；唐玉兰（1971），女，江苏扬州人，博士后，教授，研究方向：高分子有机膜的制备及在水处理中的应用。