膜分離過程中污染機理研究

膜分離過程中污染機理研究摘要：從膜污染定義出發(fā)，介紹了膜分離過程中影響膜污染的各種因素和污染物類型，從而引出了引起膜污染的各種機理和原因，并通過對不同污染機理的分析，指導各膜工程運行以減緩膜污染的發(fā)生，最大限度的節(jié)省膜過程運行成本。關(guān)鍵詞：膜污染；因素；機理；污染物目前，膜污染是限制膜分離技術(shù)廣泛應用的主要因素，其導致滲透阻力增加滲透膜通量下降，分離性能變差，增加膜組件更換和清洗的頻率，從而增加工程的運行費用。因此，了解膜污染的形成機理和影響因素減緩膜污染的發(fā)生成為設(shè)計，構(gòu)筑合理的膜體系、防治膜過程故障的基礎(chǔ)，也是當今膜技術(shù)開發(fā)的熱點。1膜污染及其影響因素1.1膜污染的定義膜污染是指與膜接觸的料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子與膜存在物理、化學、生化作用或機械作用，引起膜面或膜孔內(nèi)吸附、沉積以及微生物在膜水界面的積累，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性大幅度降低的現(xiàn)象[1]。對于膜污染，應當說，一旦料液與膜接觸，膜污染就已經(jīng)開始了[2]。1.2.膜污染的影響因素影響膜污染的因素不僅與膜本身特性有關(guān)，如膜的親水性、荷電性、孔徑大小及其分布寬狹、膜結(jié)構(gòu)、孔隙率及膜表面粗糙度，也與組件結(jié)構(gòu)、操作條件有關(guān)，如溫度、溶液pH、離子強度、溶質(zhì)特性、料液流速、壓力等，對于具體應用對象，要作綜合考察。2膜污染的類型污染物的類型直接決定了污染的性質(zhì)和機理。由于各種處理水的水質(zhì)有很大的差別,因而在膜工藝過程中對膜造成的污染物是不同的。表1列舉了不同處理水中所含的污染物質(zhì)。1表1各種水中的污染物質(zhì)根據(jù)上表可以看出：膜污染的類型主要有三種:無機污染、有機污染、微生物污染。(1)無機污染指結(jié)垢物質(zhì)，常見的是碳酸鈣、硫酸鈣。保持水的紊流狀態(tài)可減少膜污染。由于化學沉降引起及二氧化硅膠體富集作用決定。(2)有機污染指膜的特性，如表面電荷、憎水性、粗糙度、對膜的有機吸附等，細胞外聚合物。溶解性有機物及細粒膠體形成凝膠層導致膜通量下降。(3)生物污染微生物及代謝物，膜面上吸附的有機物，為微生物生存提供了條件，形成一層生物膜，造成不可逆堵塞，膜通量下降。3膜污染機理研究由于各污染物之間的相互作用和關(guān)系使膜污染的形成具有一定的復雜性和綜合性。膜污染機理至今還沒有完全弄清楚，各方說法不一。Kelly[3]等人研究了牛血清蛋白對微濾膜的污染后認為，污染開始時是蛋白質(zhì)凝聚沉積在膜表面，隨著過濾進行，未凝聚的蛋白質(zhì)由于與二硫化物的相互作用，對已聚集的蛋白質(zhì)產(chǎn)生化學吸附。Marshall[4]等人認為，除了二硫化物的鍵外，范德華力、靜電作用、憎水性、氫鍵等都對蛋白質(zhì)聚合和膜污染有影響。Darko通過對多孔屬鱗狀發(fā)酵液微濾污染研究后認為，發(fā)酵液中的溶解性組分的沉積是膜污染的主要因素。Carrolla[5]認為，對未被預處理的地表水，膠狀物質(zhì)是導致微濾污染的主導因素，而對明礬混凝處理的溶液，殘留的NOM則是污染的決定因素。Khafib[6]等人對琵琶湖原水超濾的情況進行分析后認為，在較高溫度時，含鐵膠體負電性會增強，膜表面與凝膠污染物之間斥力增大，使得污染程度減輕。Piotr認為，如果先除去發(fā)酵液中相對分子質(zhì)量大于100的物質(zhì)，膜的外部污染基本可以消除。3.1膜污染形成過程及機理膜分離的過程一般經(jīng)歷以下幾個過程：（1）過濾的初始階段，比膜孔大的粒子被截留在膜的表面，而比膜孔徑小的粒子進入膜孔，其中一些粒子由于各種力的作用而被吸附于膜孔內(nèi)，減小了膜孔徑的有效直徑;(2)過濾中期階段，微2粒開始在膜表面形成濾餅層，膜孔內(nèi)吸附逐漸趨于飽和時；（3）過濾后期階段，隨著更多微粒在膜表面被截留，膜孔內(nèi)吸附也趨于飽和，微粒開始堵塞膜孔，最終使膜通量趨于穩(wěn)定繼而不斷下降[7]。（1）膜表面吸附的難易程度及吸附層的穩(wěn)定性與大分子溶質(zhì)和膜表面及大分子間的相互作用有著密切的關(guān)系，由于膜和處理組分的化學性質(zhì)、結(jié)構(gòu)的不同，產(chǎn)生的吸附機理也不同，一般可分為兩大類:①范德華力[8]范德華力是一種分子間的吸引力，常用比例系數(shù)H(Hsmaker常數(shù))表征，與組分的表面張力有關(guān)，對于水、溶質(zhì)和膜三元體系，決定膜和溶質(zhì)間范德華力Hsmaker常數(shù)為:H213=[H111/2-(H22×H33)1/4]2式中，H11、H22和H33分別是水、溶質(zhì)和膜的Hamake:常數(shù)，由上式可見，H213始終是正值或零。若溶質(zhì)或膜是親水的，則H22或H33值增高，使H213值降低，即膜和溶質(zhì)間吸引力減弱，較耐污染及易清洗。②雙電層作用[9]由于表面發(fā)生離子化作用、偶極取向、氫鍵作用及組成離子分布不均勻等原因，在固液界面常存在電位。在表面電位的作用下，帶相反電荷的離子(反離子)被吸向固體表面，使膜面附近反離子濃度升高。這種反離子濃度隨著離開表面的距離增加而陽氏，直至溶液本體的濃度。膜面吸附的性質(zhì)主要取決于以上兩種力的合力，吸附量可用Gibbs公式計算：「==式中，「為吸附量，C為溶液濃度，R為氣體常數(shù)，T為系統(tǒng)溫度，r為表面張力；a為接觸角，a越大，疏水性越大。（2）膜孔的堵塞：由于被分離的物質(zhì)與膜的相互作用將在膜表面或膜孔內(nèi)產(chǎn)生吸附和沉積，大量的污染物附著在膜孔壁上造成膜孔的堵塞使膜孔體積減小，導致膜孔窄化從而使膜的滲透率降低。（3）濃差極化：是由于膜表面和膜孔內(nèi)的選擇通過性造成膜面濃度高于處理液主體濃度的現(xiàn)象。由于膜的截留作用，溶劑等小顆粒可以通過膜，較大3的溶質(zhì)則被膜截留，溶質(zhì)顆粒在膜表面不斷積累，當其濃度超過主體溶液的濃度時，在界面上就形成了溶質(zhì)濃度梯度，在濃度差的作用下，溶質(zhì)顆粒經(jīng)過界面向主體溶液擴散，最后堆積在膜表面，引起滲透壓增加，使膜通量減少。（4）濾餅層的形成：隨著過濾的時間的延長，大量的微粒在膜表面逐漸累計壓實形成濾餅層覆蓋在膜表面，使過濾水阻力增加，膜的滲透率降低。4結(jié)語在實際的膜