废弃反渗透膜的综合利用研究进展

王丰恺，叶 卉，张玉忠，赵莉芝，辛清萍，李 泓

(天津工业大学 材料科学与工程学院 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387)

反渗透(RO)膜是由模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜，是反渗透技术的核心部件。由于其分离性能好、厚度薄、耐压高等优势，已广泛应用于海水淡化、脱盐、废水处理与浓缩分离等领域，同时在电力、食品饮料、制药、化学、石油等行业中得到大量应用，创造了巨大的社会经济效益。据统计，每年4英寸和8英寸的RO膜元件销量约八十多万支，其中卷式RO膜约占3/4[1]。然而，随着反渗透市场不断增多，每年约有数十万支RO膜元件因性能下降而被弃用，产生了大量RO膜废弃物，此举不仅造成资源浪费，同时也对自然环境产生了破坏。因此，为促进反渗透技术的可持续性发展，对膜元件废弃物进行再利用已成为国内外研究的新热点。本文综述了国内外有关废弃RO膜的综合利用的研究进展，包括分级循环利用、修复再生利用、系列膜转化应用、膜材料转化应用等方面。

1 分级循环利用

类似的，Lawler等[3]在反渗透装置中，将性能下降的RO膜逐渐替换至高产率位置，当高截留率的RO膜插入压力容器的上游位置时，同时移除容器末端性能降低的RO膜，从而实现RO膜的循环利用。

Madaenia等[4]为了降低反渗透工厂中的生物污染，对组件中RO膜分配进行设计，将不同污染程度的RO膜进行逐级替换，从而实现RO膜的循环利用，如图1所示，该方案可有效降低渗透电导率和压差，并延长膜的使用寿命。

图1 反渗透装置中RO膜逐级替换方案

2 修复再生利用

将废弃的RO膜清洗后，经过一系列化学或物理方法处理，有望使RO膜的基本性能得以恢复，从而实现RO膜的修复再生。

辛永光[1]研究了一种反渗透膜元件的再生方法与装置，对废弃的RO膜元件进行修复，先将废弃反渗透膜元件装在反渗透装置中,将药液装入后开启相应的阀门使药液在循环管路中流动,药液经过滤器过滤后进入反渗透装置对废弃RO膜元件进行循环清洗处理，经纯水冲洗后，再对其进行氧化剂的循环浸泡改性处理，最后对其用多元胺溶液循环涂覆处理。修复后的膜盐截留性能高于纳滤膜，脱盐率介于纳滤和反渗透之间，再生RO膜渗透性能基本得到恢复。

江海[5]将废弃的RO膜经拆解清洗，胶带缠绕，又经十二烷基苯磺酸(SDBS)、次氯酸钠(NaClO)表面处理，得到再生膜。分别从产水量和脱盐率等方面对再生RO膜进行了评价，结果表明，再生膜的产水量接近初始水平，脱盐率高于60%，部分可高于85%，再生膜可应用于部分除盐、反渗透预处理、物料分离或浓缩等领域，且目前已有工业应用案例。

Kogutid等[6]对三种不同孔结构的RO膜污染后立即使用一种专有配方的碱性清洁剂进行清洗，并对其性能和孔隙率的变化进行了研究，结果显示原RO膜和清洗后的RO膜表面孔的数目和结构几乎一致，证明立即化学清洗可使污染的RO膜得到再生效果。

Yu等[7]通过涂覆天然丝胶蛋白表面层，对聚酰胺复合RO膜进行了改性，并对改性前后膜的纯水渗透系数和盐渗透系数进行考察。此外，还采用牛血清白蛋白(BSA)为模拟物，对膜抗污染性能进行研究。结果表明，丝胶蛋白涂层能够增加降解膜的脱盐率至98.9%，并可增强其抗污染性能。

Xu等[8]通过丝胶蛋白溶液沉积，修复经过降解的聚酰胺复合RO膜，并对修复膜的渗透性能、耐污染性能以及耐氯性能进行了研究。结果表明，再生RO膜脱盐率可以恢复到94.0%，膜表面沉积有丝胶蛋白分子后变得更光滑，更亲水且带负电荷，因此具有更强的BSA抗污染能力与耐氯性能。

3 系列膜转化应用

纳滤膜是介于RO膜和超滤膜之间的新型膜分离技术，如果对废弃的RO膜表面分离层经特定处理后，可以将其转换为具有纳滤性能的膜元件。此外，RO膜主要由多孔支撑层与聚酰胺分离层组成，对其聚酰胺分离层进行氧化降解后，也可将RO膜支撑层转化为超滤或微滤应用。

Ould等[9]对废弃RO膜渗透率与截留性能进行了考察，结果表明废弃膜水渗透通量(2.1±0.1 L h-1m-2bar-1)是原膜的(1.0±0.1 L h-1m-2bar-1)的两倍，脱盐率从高于90%降低到35%-50%之间。采用建模的方法对废弃RO膜与NF膜传质机理进行了比较，发现废弃RO膜和NF膜传质规律相同，因此表明该废弃RO膜可作为纳滤膜使用，可被用于海水预处理，微咸水脱盐，海水疗法中心等渗/高渗盐溶液的制备，以及用于珊瑚生长研究的人工海水制备等方面。

Razdan等[10]将废弃RO膜浸泡在多胺水溶液中，并加入葡萄糖酸铵盐(2.0%)以提高RO膜的截留特性，并且使用烷基胺(例如丁胺，环己胺)提高具有聚酰胺识别层的复合反渗透的通量。然后掺入添加剂，使其溶质截留率发生变化，从而导致废弃的RO膜转化为纳滤膜。

靖大为[11]以NaClO为氧化剂对废弃RO膜进行氧化处理，并评价处理后膜元件脱盐率、产水通量、污染指数以及截留率，表明再生膜性能接近纳滤水平，可作为纳滤膜使用。

连冠楠[12]采用NaClO溶液对废弃的芳香族聚酰胺RO膜进行浸泡处理，对其表面聚酰胺分离层进行降解处理。氧化后RO膜表面微观结构、化学组分以及截留率结果表明，废弃RO膜经氧化处理后，可转化为具有纳滤性能的膜，在染料脱盐和浓缩过程中有较好的稳定性和耐污染性。

Lawler等[13]探讨采用多种降解溶液去除废弃膜活性层，使其转化为超滤膜的可行性，考察其渗透率与截留率，并与超滤膜做出比较。结果表明，采用NaClO降解的膜渗透率达175±4 L h-1m-2bar-1，截留率可达74%，证明废弃的RO膜可以转化为超滤膜使用。

Pontié等[14]将废弃的RO膜在62,500 ppm的NaClO中氧化6 h转化成一种新型超滤膜，经过测试可知处理后的膜渗透通量可达180 L h-1m-2bar-1，截留性能类似于10 kDa的超滤膜。

Veza等[15]将废弃的海水RO膜通过高锰酸钾溶液去除活化层，将其转化为微滤膜。经过处理后的膜元件可用于反渗透前处理设备中，可显著减少废水中的悬浮物。随后，采用活性污泥处理厂的二级废水实际测试了膜性能，出水浊度平均可降低93.9%，悬浮固体总分离效率超过97%。

4 转变为其他材料应用

高分子材料是由C和H组成的长链聚合物链，当受到控制的高温反应时，它们可能转化为碳材料和能源，可用于住宅和工业方面供热以及发电[17]。

Prince等人[18]采用燃烧或热解方法将废弃的RO膜转化为碳材料，采用管式炉对废弃RO膜在氮气下进行热解，450 ℃条件下焚烧后，可得到碳材料质量占原RO膜元件的26wt%。这种碳材料可用为建筑用吸附剂和填充材料(砖)进行再应用。

此外，Pontié等[14]提出将废旧的RO膜元件分解，提取其中的聚丙烯垫片重新用作土工布，鼠标垫，儿童绘画的支撑，植物的保护罩以及家庭厨房中的芳香墙等方面。

Lawler等[3]提出对废旧RO膜元件进行机械研磨将其用于混凝土的填充材料。通过统计，该方法已经回收再利用了95%的废旧RO膜元件。

5 结语

近年来，随着RO膜使用量的持续增加，废弃膜数量也显著增加，膜被污染后通常被作为废弃物丢弃在垃圾填埋场中，虽然这些废弃膜没有毒害作用，但大大浪费了土地资源。为了提高环境和经济效益，本文综述了目前国内外针对废弃RO膜元件的再利用相关的研究，为促进反渗透技术的可持续性发展提供了理论依据。