反渗透膜在制纯水过程中的污染及防治

刘永宽

摘 要：膜污染降低了其在工业生产中的投入，介绍了导致反渗透膜污染的因素及预防措施。

关键词：反渗透膜；膜污染；防治

反渗透膜是反渗透制水技术的核心元件，是一种拥有特殊性能的人工半透膜。工业生产中采用在渗透设备原水侧施加大于足以改变渗透平衡的压力，使水分子由原水侧向纯水侧渗透，从而获取纯水的工艺，生产过程可以降低耗能、减少污染，且工艺操作简单，已获得大面积应用。

反渗透膜具有微小的膜孔径，可有效去除水中小分子物质及盐类，但随着膜设备应用时间增长，膜面不断被污染导致无法达到设计出力。因此，系统了解导致膜污染的原因及预防处理方法，对提高膜抗污染能力、增强制水设备持续出力、延长设备使用寿命、推动反渗透膜技术发展及推广应用具有重要意义。

1 膜污染现象及产生原因

膜污染一般反映在膜通量下降以及分离率的降低，往往导致反渗透设备运行压差高，出力降低。膜污染通常由微生物吸附和生长污染、大分子颗粒物附着污染和无机物沉淀污染几种类型共同作用的结果。反渗透膜作为可压缩性滤饼在滤压增大过程中过滤阻力同样会增大，而生产操作过程中浓差极化所形成的边界层也将导致过滤阻力增大，这又会导致可逆的膜通量下降。因此，膜污染导致的设备出力降低往往涉及膜自身性质、水质以及工作條件多个方面，污染产生原因较复杂。

1.1 膜自身性质对膜污染的影响

膜自身性质是指包括膜所使用材料理化特性、结构性特点以及膜组件类型特征等。常用膜材料之一的聚酰胺复合膜虽然具有使用压力低、脱盐率高、通量高、稳定性强等优点，但与醋酸纤维素膜相比不耐氯和氧化剂，抗结垢性能也不如醋酸纤维素膜。疏水性膜除盐能力较强，但除有机物能力弱，比亲水膜更易堵塞；膜组件结构不同抗污染能力也不同，板框式结构抗污染能力最强，圆管式、中空纤维式则相对较弱弱。因此，不同水质条件下，对膜使用根据具体需求具体选择，以减少使用过程中膜污染的频率。

1.2 水质与膜污染

水质对膜污染因水质不同预防方式各不相同，小分子有机物对膜污染主要是其与膜相互之间形成氢键吸附于膜面，降低了渗透面积从而使膜通量下降。胶体难以穿过渗透膜，在膜表面被截留吸附，当进水SDI指标控制不当时往往在渗透膜表面形成半胶束污垢导致膜污染。微生物对膜污染通常为细菌、生物膜、藻类和真菌。细菌可以将醋酸纤维为营养物质消化，因而醋酸膜易受细菌的侵蚀；对于复合膜，虽不易被细菌侵害，但各种微生物被吸附到膜面并在膜面生长，各种粘膜会造成膜的污堵，其代谢产生的聚合物也会在膜面形成生物质膜，导致膜污染。

1.3 工作条件与膜污染

膜的工作条件主要影响因素有温度、压力、pH、剪切速率等。随水温升高分子运动能力增强，膜通量增加，但膜稳定性越差，使用寿命随之缩短，因此一般膜工作允许温度在5～45℃，最佳温度要求在20～35℃。随施加压力的增加，水的渗透速度将会加快，膜通量随之增加，但胶体在膜面沉积趋势会越来越强。当溶质与膜具有强的亲和力时，提高压力将增加膜孔内溶质分子的流动性，产生的对流剪切力使溶质分子穿透膜，导致膜分离率降低。剪切速率大时质量传递快，浓差极化弱，膜通量高，且膜通量降低缓慢；但膜通量越大，水压力停留时间增加，膜面的污垢层会越紧密，膜通量降低越快。

2 膜污染防治

2.1 使用抗污染膜或改性膜

抗污染膜分为两种：一是膜的流通通道更宽，不易堵塞而抗污染，这种膜在纯水制取中不宜采用；另一种是通过对膜表面改性，根据水质选择呈负电性、正电性或电中性的膜，依据电性同性相斥的原理，使特定性质的污染物不易沉积在膜表面，从而实现抗污染特性。

2.2 针对水质加强预处理

原水中能够导致膜污染的物质物含量较高，不满足膜要求的进水条件，需进行预处理，将造成膜污染的物质最大化降低或去除，从而降低反渗透膜污染的趋势。导致膜污染堵塞的主要原因有杀菌不彻底、膜系统入口浊度高以及入口SDI值大。对于微生物类，可以使用氯化、臭氧杀菌或使用杀菌剂，但使用过程中注意游离氯会对膜造成永久性伤害；对有机物、悬浮物和胶体等，可通过澄清、沉淀、过滤或活性炭吸附、絮凝微滤、超滤等方法去除，降低膜入口浊度和SDI值；对于易结垢盐类，可使用阻垢剂进行处理，处理过程注意阻垢剂作为富营养物质易促进细菌繁殖。

2.3 优化膜组件工作环境

在膜元件操作过程中，要根据膜元件厂商对膜的操作条件的要求严格控制膜元件工作环境，在具体应用过程中，根据实际情况进一步对操作参数进行优化，以延长膜的使用寿命，降低生产费用。

2.4 膜污染后的清洗

在生产过程中，膜污染只能减少降低而无法完全避免，对膜进行科学的清洗可将被污染膜的污染物清除，恢复膜的原有性能，延长膜的使用寿命。最基本膜清洗方法是采用高压纯水对膜进行正向或反向冲洗，可有效处理由浓差极化和滤饼压缩引起的膜污染。对于由污染物进入并堵塞膜孔道所引起的膜污染可采用化学剂清洗方法，在纯水中加入具有特殊功能的化学剂，使其与膜孔道中或膜面上的污染物发生交换、整合、破乳等反应，也可以配合超声波处理器，从而达到除污目的。

3 结语

膜污染降低了反渗透设备的出力，成为了限制生产的因素，膜污染现象难以避免，但通过使用抗污染膜及膜组件、优化生产环境、强化进水预处理，仍可降低膜污染的发生，在膜污染之后对其进行科学合理清洗再生，可使膜恢复原有出力，可大幅降低运营成本。进一步加强膜设备污染的防治，是当前乃至今后膜制纯水工作努力的方向。