正渗透膜污染及影响因素综述

(内蒙古工业大学 内蒙古 呼和浩特 010051)

一、膜污染的原理

膜污染是指所处理原料液中的微粒、胶体颗粒或大分子与膜发生物理、化学作用或机械作用而引起在膜表面或膜孔内的吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜的透过流量与分离特性发生不可逆变化的现象[1]。

正渗透技术膜污染的机理有两大类：膜表面吸附与滤饼层(凝胶层)形成。膜表面吸附即当溶液中的溶质分子碰撞到膜表面，膜与溶质之间产生范德华力或形成表面化学键，导致膜吸附溶质以及造成膜表面附近区域溶液浓度高于主体溶液浓度，膜的水通量不可逆地下降。滤饼层在膜表面的形成则主要是由于溶液中的污染物与膜表面已经沉积的污染物之间的相互作用。滤饼层韧性强，易去除，对膜进行简单冲洗后膜表面只有少量污染物残留，这是由于膜粗糙度和孔径小，污染物质不能深入膜孔，与表面膜接触不牢固[2]。

二、膜污染分类

根据污染物的种类不同，可将膜污染分为有机污染、无机盐类结晶污染、胶体颗粒污染、微生物污染。

(一)有机污染

在利用膜技术处理地表水、污水时，经常伴随膜的有机污染的发生。最常见的有机污染物包括多聚糖、天然有机物、蛋白质。FO领域的研究者常以海藻酸钠、腐植酸、牛清蛋白作为模型污染物用于FO膜有机污染的实验研究，三种高分子有机物均属于可压缩有机物。

FO的有机污染过程：在FO处理含有机污染物溶液的初始阶段，由于浓差极化作用，有机物分子在膜表面附近富集，接着在有机物分子与膜材质分子间相互吸引力的作用下，有机物分子在膜表面积累，形成最初的污染层，之后污染层中的有机分子吸引溶液中更多的有机分子进入到污染层中，逐渐形成较厚的滤饼层。在滤饼层的形成过程中，有机分子与膜材质分子间的相互作用力、有机分子之间的相互作用力是决定滤饼层结构牢固与否的关键。

(二)无机盐类结晶污染

无机盐类结晶污染主要存在于海水淡化的应用过程。海水中含有丰富的微溶盐类，如硫酸钙、碳酸钙、硅酸盐等。在利用FO技术淡化海水时，原料液被逐渐浓缩，当浓缩至过饱和时，其中的微溶盐类在膜的表面或附近形成结晶体析出，造成膜污染。在导致膜结晶污染的微溶物中，CaSO4·2H2O最为常见。

无机盐类结晶污染的形成方式有两种：①表面结晶，又称不均匀结晶，为微溶盐类直接在膜表面形成尺寸很小的不均匀结晶体。②大块沉降，微溶盐类先在溶液中形成形状规则的大结晶体，然后在膜表面沉积。Shih等通过研究反渗透膜无机盐类结晶污染，发现其结晶方式为表面结晶，表面结晶的程度及结晶体的尺寸因膜材质的不同而有很大差异。

(三)胶体颗粒污染

胶体颗粒普遍存在于自然界中，包括黏土矿物、硅胶、铁、铝的氧化物等，尺寸从几纳米到几微米不等。在利用FO处理地表水时，胶体颗粒是造成FO膜污染的一种常见污染物类型。在FO过程中，由于浓差极化作用，原料液中的胶体颗粒在膜表面富集，并逐渐形成一层具有一定厚度的滤饼层，由于FO膜不完全致密，在运行中，不可避免会有一些汲取液溶质通过FO膜反向扩散至原料液中，但反向扩散的溶质被膜表面的滤饼层拦截，不能进一步扩散至更远原料液中，故在滤饼层内积累，使滤饼层内溶液的渗透压升高，导致FO膜两侧有效渗透压差降低，此为胶粒滤饼层所形成的CEOP(cake-enhancedosmoticpressure)现象，Boo等认为CEOP现象是导致FO水通量大幅下降的主要原因。

(四)微生物污染

FO膜的微生物污染主要来自两方面，微生物本身和微生物的代谢产物。当细菌等微生物附着在FO膜表面后，开始繁殖并产生其主要代谢产物-胞外聚合物(extracellularpolymersubstances，EPS)，EPS与微生物相黏合，形成一种具有黏性的水合凝胶体，凝胶体进一步聚集，最终在膜表面形成一层成熟的生物膜，EPS是该生物膜的基础。在采取措施缓解FO膜的微生物污染时，如果只针对微生物本身而忽略微生物分泌的代谢产物，会导致污染物不易被去除。

三、正渗透膜污染的影响因素

(一)膜的性质

膜的性质(亲水性或疏水性、表面电荷、结构、粗糙度和孔隙率等)主要影响膜与溶质之间的相互作用，进而影响膜污染。膜表面的亲水性可显著影响膜的抗污染性能，亲水性聚合物涂层，如聚乙烯乙二醇，通过氢键水合膜表面可防止膜污染。另外，膜表面的Zeta电位对膜污染也有较大影响。如果污染物表面的电荷与膜表面的电荷同性，则不容易发生膜污染，因为污染物与膜之间会有较强的静电斥力，反之，则容易发生膜污染，此外，膜结构也会影响膜污染。

(二)原料液性质

原料液性质(浓度、pH、离子强度、化学组成等)能够影响溶质的电荷密度，进而影响溶质与膜以及溶质与溶质的相互作用，这些因素均与膜污染有关，原料液浓度沿膜通道升高，容易导致有机污染。溶液为中性时，复合型有机-胶体污染较轻；而酸性时海藻酸钠容易造成膜污染。

(三)膜的朝向

由于FO膜的非对称性结构，在FO过程的运行中存在着两种置向，即活性层朝向原料液(FO模式)，或者活性层朝向驱动液(即压力阻尼渗透，Pressure-retardedosmosis,PRO模式)。佘乾洪[3]发现，在FO模式下，水通量下降得更快；而在PRO模式下，水通量仅略微下降，这是由于化学因素与流体动力学因素相互作用的结果。张高旗等得到类似结果，PRO模式可降低膜污染程度，并获得稳定的通量，长时间(144h)运行下膜两侧均出现不同程度的污染。

(四)操作条件

操作条件主要有：操作压力、错流速率、曝气量、水力停留时间、运行温度和pH等。佘乾洪选用腐殖酸作为模型污染物，发现初始通量主要影响施加在腐殖酸上朝向膜表面的水力曳力，通量越大，水力曳力就越大；初始通量越高时，FO膜的多孔支撑层内部的腐殖酸和盐的浓度增高，内部浓差极化作用增强，因此，初始通量越高，水通量下降越快，膜污染越严重。

四、结论

FO是世界上膜分离领域的热点之一。膜污染类型有有机污染、无机盐类结晶污染、胶体颗粒污染、微生物污染。FO膜的性质、原料液性质、膜的置向、操作条件是膜污染的影响因素。可以通过预处理、流体力学方法、清洗、改变膜的结构、选择合适的驱动液及优化膜的选择性等手段，均可控制膜污染。