膜的污染和劣化及其防治对策.docxVIP

专论与综述膜的污染和劣化及其防治对策王晓琳(清华大学化学工程系,北京100084)[摘要]较为系统地介绍了膜污染和劣化的定义和特点,因膜污染和劣化而造成的膜性能变化,以及如何预防、减少或清除膜污染和劣化的一些通用方法。[关键词]膜分离;膜污染;膜劣化[中图分类号]TQ028.8[文献标识码A[文章编号]1005-829X(2001)09-0001-05FoulinganddegradationofmembranesandtheirpreventionandcontrolWANGXiao2lin(DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Thedefinitionsandcharacteristicsofmembranefoulinganddegradationareintroduced.Thentheef2fectsofmembranefoulinganddegradationonthemembraneperformancearespecified.Lastly,manycommercialmethodsarementioned,whichareusedtoavoid,preventandmitigatemembranefoulinganddegradation.Keywords:membraneseparation;membranefouling;membranedegradation近年来膜技术在电子、化工、医药、食品等行业的脱盐、超纯水制备、污水处理,以及各种分离提纯过程中得以日益广泛的应用。与此同时,膜组件及装备和集成技术也得以迅速发展和不断完善,然而膜的污染和劣化始终是制约膜技术发展的瓶颈之一〔1〕。人们在研制和开发新型分离膜和膜过程技术的同时,对膜过程中所出现的膜污染和劣化开展了大量的研究工作〔2～13〕。本文首先介绍膜污染和劣化的定义及基本特征,进而分析因膜污染和劣化而造成的膜性能变化,最后从膜污染物质的预处理方法和膜分离系统的管理等两个方面介绍如何预防、减少或消除膜污染和劣化的一些通用方法。1膜的污染和劣化的定义膜的污染是指由于在膜表面上形成了附着层或膜孔堵塞等外部因素导致了膜性能变化,根据其具体发生原因采用相应对策,可以使膜性能得以恢复。膜的劣化是指膜自身发生了不可逆转的变化等内部因素导致了膜性能变化。表1概括地列出了膜的污染和劣化的分类及其产生原因〔10〕。导致膜的劣化的原因可分为化学、物理及生物等三个方面。化学性劣化是指由于膜材质的水解或氧化反应等化学因素造成的劣化,而物理性劣化则表1膜的污染和劣化的分类及其产生原因渗透压滤饼层:悬浮物凝胶层:水溶性大分子附着层结垢层:难溶性物质吸附层:水溶性大分子空间位阻:悬浮物、水溶性大分子表面吸附:水溶性大分子析出:难溶性物质污染膜组件的性能变化孔堵塞化学性劣化:水解、氧化反应物理性劣化:高压致密、干燥微生物劣化:生物降解反应劣化是指膜结构在很高的压力下导致膜结构的致密化或因其置于干燥状态下发生不可逆转性变形等物理因素造成的劣化。生物性劣化通常是由于处理料液中的微生物的存在导致膜材料发生生物降解反应等生物因素造成的劣化。膜污染是由于膜表面形成了附着层和膜孔通道发生了堵塞而引起的。由于膜表面形成了附着层而引起的膜污染被称之为浓差极化。液体膜分离过程中,随着透过膜的溶剂(水)到达膜表面的溶质,由于受到膜的截留而积累,使得膜表面溶质浓度逐步高于料液主体溶质浓度。由于膜表面溶质浓度与料液主体溶质浓度之差产生了从膜表面向料液主体的溶—1—专论与综述工业水处理2001-09,21(9)质扩散传递。当溶质的这种扩散传递通量与随着透过膜的溶剂(水)到达膜表面的溶质主体流动通量完全相等时,上述过程达到不随时间而变化的定常状态。当溶质是水溶性的大分子时,由于其扩散系数很小造成从膜表面向料液主体的扩散通量很小,因此膜表面的溶质浓度显著增高形成不可流动的凝胶层。当溶质是难溶性物质时,膜表面的溶质浓度迅速增高并超过其溶解度从而在膜表面上产生结垢层。此外,膜表面的附着层可能是水溶性高分子的吸附层和料液中悬浮物在膜表面上堆积起来的滤饼层。造成膜污染的另一个重要原因是膜孔堵塞。悬浮物或水溶性大分子在膜孔中受到空间位阻,蛋白质等水溶性大分子在膜孔中的表面吸附,以及难溶性物质在膜孔中的析出都可能产生膜孔堵塞。众所周知,反渗透膜操作过程中料液的渗透压对膜透过流速影响很大,但超滤过程所处理的溶质大多是高分子蛋白质等,料液的渗透压很低,对膜透过流速的影响可以忽略。然而对高分子溶液物性的研究结果表明高分子溶液的渗透压随着溶液浓度的增加会迅速增高,即使是超滤过程中的也不能忽略料液的渗透压影响。因