膜污染及再生机理研究

董亚帅(青岛市排水运营服务中心，山东 青岛 266000)

1 膜污染机理

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，使膜通量变小且分离特性变差的现象。膜污染的形成机理主要有：(1)由于膜孔的截留作用，料液中的溶解性有机物和离子在膜表面积累造成浓差极化现象；(2)由于浓差极化现象，膜表面浓度高于处理液浓度，导致被截留组分在膜表面聚积，形成凝胶层，导致透过组分的量减少，从而降低膜的通量；(3)微小颗粒或溶质在膜表面及膜孔内的吸附、架桥等，使膜孔堵塞和改性，导致膜通量下降。膜污染问题引起膜通量的下降，缩短膜使用寿命，影响膜的工程应用。

目前，研究膜污染的理论模型主要有阻塞模型、超滤模型、流体力学模型及经验模型，其中阻塞模型已广泛应用于膜污染机理的研究。阻塞模型以阻塞理论为基础，将可能造成膜污染的各部分阻力分解，以得到膜污染机理。膜阻力的测定可根据达西定律过滤模型进行计算分析，膜通量可表示为推动力与阻力之比：

式中：J为(m3/(m2·s))；ΔP为膜两侧的压力差(MPa)；μ为溶液粘度(Pa·s)；Rt为过滤总阻力(m-1)。

式中：Rm为膜自身阻力；Rp为浓差极化阻力。该部分可通过水冲洗除去，Rc为颗粒等在膜表面吸附及沉积形成的滤饼阻力，该部分阻力用水冲洗不能除去，可采用毛刷刷洗等方法除去，Ri为膜孔内堵塞阻力，采用物理方法不能除去，需采用化学方法清洗。

2 膜污染影响因素

2.1 膜结构的影响

(1)膜孔径的影响。膜孔径是膜过滤过程中影响膜通量和截留率等最重要的因素，一般而言，孔径越小，对粒子或溶质的截留率越高但通量越低。钟璟等在颗粒粒径和膜孔径对陶瓷膜微滤微米级颗粒悬浮液的影响研究中，通过阻力分析、颗粒粒径和膜孔径对膜通量的实验比较认为，膜孔径和颗粒粒径相比较小时，膜表面的滤饼层内细颗粒比例较高，膜通量较低；而当膜孔径与颗粒粒径相比太大时，颗粒对膜孔径的阻塞严重，膜通量也很小。陈露等研究了0.1、0.22、0.8μm的不同微滤膜孔径与污染程度关系的比较，结果表明，孔径为0.1μm的微滤膜孔堵塞阻力为4.14×1011m-1，0.22μm的微滤膜孔堵塞阻力为8.591×1011m-1，0.8μm 的微滤膜孔堵塞阻力为2.593×1012m-1，孔径越大，孔堵塞阻力占膜总阻力的比例越大。

(2)膜表面粗糙度的影响。张兵兵等考察了陶瓷膜表面粗糙度对含油废水过滤性能的影响，结果显示，具有不用表面粗糙度的相同孔径陶瓷膜，其纯水通量基本相同；粗糙度越大的膜，过滤含油废水的膜通量衰减越快，稳定通量也越低。Shoji等的研究表明，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，增加了膜表面孔的吸附导致的膜孔堵塞，但同时也增加了膜表面的扰动程度，阻碍了污染物在膜表面的形成，减少了孔对污染物质的机械截留所导致的膜孔堵塞。

(3)膜孔隙率的影响。孔隙率高的膜具有较多的开孔结构，所以在相同的孔径下具有较高的渗透通量。一般来说，多孔无机膜，其膜层的孔隙率一般在20%～70%，支撑体孔隙率应高于分离层，对微滤膜而言，空隙率宜大于30%。

通常孔隙率越大，TMP越小，但随孔隙率的变化，膜面性质如粗糙度等也发生改变，进而改变膜面吸附污染物的可能性，有机膜孔隙率通常高于无机膜，但膜通量往往低于无机膜。

2.2 操作运行条件的影响

操作条件与膜污染密切相关，对膜污染直接产生较大影响的有：跨膜压差(TMP)、膜面流速、运行温度等。

(1)膜通量和跨膜压差(TMP)的影响。膜通量的选择是决定膜污染的重要因素，一般认为膜存在特定的临界膜通量和临界压差，当实际操作压差低于膜的临界压差时，膜通量随压差的增大而升高，高于此临界值时，膜通量变化不大甚至减小，此时通量与压差无关。经反冲洗不足以清除膜的污染物质，引起膜污染加剧。彭兆洋利用陶瓷膜过滤油田采出水，当跨膜压差在0.16MPa内，膜通量随着压差的增大而增大，两者之间近似为线性关系，当压差大于0.16MPa时，膜通量增大趋势不明显，甚至出现下降情况。

(2)膜面流速的影响。一般认为，在错流过滤中，膜通量随膜面流速的增加而增大，原因是料液流速的增加使得其侧向剪切力增加，对附着在陶瓷膜膜表面的污染物质具有很大的冲刷作用，使其不易在膜表面沉积，加强了膜的传质作用，使得膜通量增大。但当流速过高时，膜通量反而出现降低现象，这是因为较短的膜管内流速过高时，会形成紊流导致膜管内的压力分布出现不均匀的情况，影响跨膜压差，使膜通量下降。

(3)温度的影响。升高温度有利于膜分离过程的进行，这主要是温度的变化不仅可改变料液粘度，还可改变膜面污染层的厚度和孔径，从而改变膜的通透性能。

3 膜污染防治及再生方法

3.1 预处理

笔者认为，并不是所有的膜都适合直接用于过滤，应根据相应的体系选择合适的预处理方法，从而减轻体系对膜通量及膜污染的影响，适当延长膜使用寿命。张进等研究了混凝预处理对膜通量、渗透液水质、膜污染及清洗后的膜通量恢复率的影响，结果表明，增加混凝预处理后，磷酸盐的去除率从直接过滤的11%提高到99.7%，且膜通量提高了60%，预处理增大了颗粒粒径，有效减轻了膜污染；经相同方法清洗后，直接过滤的膜通量只恢复到初始通量的72%，而增加混凝预处理后，膜通量恢复到初始通量的90%以上。

3.2 再生方法

(1)物理清洗再生。物理清洗再生是利用机械方法从膜表面或膜孔内去除污染物，包括正反向冲洗，超声波清洗等，物理清洗再生过程不污染环境，但清洗不彻底。崔鹏等的研究结果表明，过滤期间反冲技术是控制膜污染的有效方法。

(2)化学清洗再生。当物理清洗再生不能去除污染物或作用不明显时，应考虑化学清洗再生，化学清洗对膜孔内堵塞和形成凝胶层的去除是最有效的方法，其实质就是污染物与清洗剂之间的一种多相反应，是膜污染的一个逆过程。常用的再生清洗剂有酸类、碱类、螯合剂、氧化剂、还原剂等，化学清洗再生会使反应器内生物失活，消耗药剂，造成二次污染，所以选用适宜的再生清洗剂是获得最佳化学清洗效果的关键。化学再生清洗剂中无机强酸主要使污染物中的部分不溶物变成可溶物；有机酸主要去除无机盐的沉积；强碱主要去除油脂、蛋白、藻类等的生物污染、胶体污染及大多数的有机污染物；螯合剂主要使络合污染物中的无机离子生成溶解度大的物质以减少膜表面和膜孔内沉积的盐及吸附的无机污染物。

4 结语

做好膜污染防治工作，需要考虑诸多因素，不断探讨其确切的污染机理，寻找适合不同系统的防治方法，以优化膜的性能，延长运行周期。由于膜污染物多种多样，所以膜的再生是一个复杂的课题，应根据膜污染物的特性，选择最经济有效的清洗方法。膜污染清洗的方法很多，清洗剂的种类也很多，对于不同的污染膜，应不断实验以寻找最佳清洗剂和清洗方法，提高膜再生水平，延长膜使用寿命。