小综述-膜污染及膜劣化的研究进展及存在的问题

膜污染及膜劣化的研究进展

及存在的问题

摘要：膜污染及膜劣化制约着膜分离技术的应用。本文较为全面的介绍了膜污染及膜劣化的定义和特点，产生的原因及影响因素，因膜污染和劣化而造成的膜性能变化，以及其研究进展和存在的问题。

关键词:膜污染；膜劣化；存在问题

The advances and existing problems in fouling and

degradation of membranes

Abstract:The application of membrane separation technology is restricted by fouling and degradation of membranes. This article comprehensively introduces the definition and characteristics of membrane fouling and degradation. Also,its causes and influence factors are included. Then,the effects of membrane fouling and degradation on the membrane performance are specified. Lastly, the advances and existing problems are mentioned.

Key words: membrane fouling; membrane degradation; existing problems

1.引言

膜分离技术是一种新型高效、精密分离技术，它是材料科学与介质分离技术的交叉结合，其兼有分离、浓缩、纯化和精制的功能，又有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特征，因此已广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、水处理、电子、仿生等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益，已成为当今分离科学中最重要的手段之一。

膜分离技术应用广泛，目前其在各个方面的应用研究很活跃，但膜分离技术的发展受到膜的污染和劣化的严重制约，是其发展遇到的瓶颈之一。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及劣化开展了大量的研究工作，以期能够预防、减少或消除膜污染和劣化对于膜的影响。

2.膜污染及膜劣化的简介

2.1膜污染和膜劣化的定义

膜污染是指与膜接触的料液中微粒、胶体颗粒或溶质大分子与膜发生物理、化学相互作用或因浓差极化使某些溶质在膜表面的浓度超过其溶解度及因机械作用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化现象。膜污染的影响相当大，它可使膜的纯水透过率下降20%~40%，污染严重时能使膜的通量下降80%以上。

膜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。而膜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的变化。

2.2膜污染及膜劣化的形成原因及分类

如表1为膜污染和膜劣化的分类及其产生原因。膜污染的主要原因来自以下几个方面：凝胶极化引起的凝胶层；溶质在膜表面的吸附层；膜孔堵塞；膜孔内的溶质吸附。由于膜的截留作用，混合液中溶解性有机物的膜表面积累造成浓差极化现象：细菌胞外聚合物（EPS）的逐渐增多对膜面造成污染，EPS的主要物质为微生物正常代谢产生的粘性多糖类物质、粘性多肽分子和蛋白质分子等，这些含有活性基团的大分子物质可能与金属离子如Ca2+和Mg2+等相互作用，而在膜表面形成凝胶层使通量下降；膜表面及内壁附着生长的细菌造成生物堵塞[1]。

表1 膜污染和膜劣化的分类及其产生原因

膜污染附

着

层

滤饼层：悬浮物

凝胶层：水溶性大分子

结垢层：难溶性物

吸附层：水溶性大分子

孔

堵

塞

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

膜劣化化学性劣化：水解、氧化反应等化学因素造成物理性劣化：高压致密、干燥

微生物劣化：生物降解反应

在膜污染过程中，陆文超等[2]认为在膜污染的初始阶段，粒径小于膜孔径的污染物颗粒会进入膜孔，其中一些由于吸附力的作用被吸附于膜孔内，减小膜孔的有效直径。当膜孔吸附趋于饱和时，微粒开始在膜表面形成滤饼层。随着更过微粒在膜表面的吸附，微粒开始部分堵塞膜孔，最终在膜表面形成一层滤饼层，跨膜通量趋于稳定。膜蒸馏过程中，由于使用的是疏水膜，操作过程药液中的污染物（一般是不挥发的）不能进入膜孔，故膜孔内壁吸附污染物致膜孔缩小的机理是不存在的。另外，在形成滤饼层之前，为时短暂的膜孔堵塞过程是完全可能存在的。污染物颗粒在膜表面的沉积对滤饼的形成起着双重作用，一方面由于料液对膜表面的剪切作用，对附着在膜面的微粒产生拽力，使微粒有脱离的趋势；另一方面，由于流体的粘滞作用，将阻碍其它微粒的云顶，从而增大流体力学阻力，导致滤饼层不断加厚。除此之外，膜面形成的凝胶层同样会增加传质阻力，使得跨膜通量不断下降。

膜污染可以分为微生物菌落代谢污染、有机物吸附污染、胶体及颗粒物聚集污染和无机物沉淀污染。根据不同的膜对微生物表现出不同的生物亲和性，膜生物污染过程大体可分为四个阶段。第一阶段：腐殖质、聚糖脂与其它微生物的代谢产物等大分子物质在膜面上吸附，形成一层具备微生物生存条件的生物膜。第二阶段：进水微生物中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程。这一阶段是生物膜的初期发展阶段，生物膜受水力剪切力和细菌死亡脱除的影响因而生长缓慢。第三阶段：由于后续大量菌种的粘附，特别是EPS的形成，加剧了微生物的繁殖和群集。第四阶段：即生物污染的最终形成阶段，在这一阶段生物膜的生长和脱除达到动态平衡，生物膜将趋于稳定。由于生物污染造成了膜的不可逆堵塞，使过滤组里上升，引起膜通量的下降[3]。

而导致膜劣化的原因可分为化学、物理及生物三个方面。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；物理性劣化则是指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微生物的存在导致膜材料发