膜污染分析及防治

收稿日期:2001212228

基金项目:天津市教委基金资助项目(20010506).

作者简介:环国兰(19772),女,江苏南通人,硕士研究生.

膜污染分析及防治

环国兰,张宇峰,杜启云

(天津工业大学材料化工学院,天津　300160)

摘　要:本文综述了膜污染的分析技术、膜污染的影响因素、防止膜污染的措施、膜污染的清洗方法及常用的清洗剂。还介绍了膜污染的定义、膜污染的形式及其新进展。关键词:膜污染;浓度极化;污染分析;污染防治;清洗

中图分类号:TQ 028.8 文献标识码:A 文章编号:100023770(2003)0120001204 膜分离技术由于无相变、能耗低、体系干净等优点,应用范围越来越广泛,特别是对处理热敏物质领域如食品、药物和生物工程产品,显示出极大的优越性,与传统分离操作相比,不仅可避免组分受热变性或混入杂质,还具有显著的经济效益,因而发展相当迅猛。但在膜分离过程中存在膜污染现象,使膜的渗透通量及截留率等性能发生改变,膜的使用寿命缩短,极大地影响了膜分离技术的实际应用。因此,分析膜污染的原因以及采取相应的清洗措施和防治对策使膜性能得到部分恢复或完全恢复十分必要。事实上,膜污染分析及膜污染清洗的研究已成为膜分离技术研究中的一个热点问题。

1　膜污染的定义

膜污染是指处理物料中的微粒、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,使膜产生透过流量与分离特征的不可逆变化现象[1]。对于膜污染,应当说,一旦料液与膜接触,膜污染即开始。膜污染常发生在三种场合,即浓差极化、大溶质的吸附和吸附层的聚合[2]。

2　污染分析

膜污染分析的最好方法是解剖已污染的膜组件,并详细分析其污染物,但这样必然破坏膜组件。因而需通过其它方法来确定膜污染物的结构、组成

和性质特性。有若干能用于分析膜污染物的技术[3],其中主要有光学显微镜法、扫描电子显微镜法、能量色散X 射线法和红外光谱法。

还有X 射线萤光法,原子吸收法,ESCA 法(化

学分折电子能谱)和俄歇能谱法等。

3　膜污染的影响因素

3.1　粒子或溶质尺寸与膜孔的关系[1,4]

当粒子或溶质的尺寸与膜孔相近时,极易产生堵塞作用,而当膜孔小于粒子或溶质的尺寸时,由于横切流作用,它们在膜表面很难停留聚集,因而不易堵孔。另外,对于球形蛋白质、支链聚合物及直链线型聚合物,它们在溶液中的状态也直接影响膜污染;同时,膜孔径分布或分割分子量敏锐性,也对膜污染产生重大影响。3.2　膜结构[1]

膜结构的选择对膜污染而言也很重要。对于微滤膜,对称结构较不对称结构更易堵塞;对于中空纤维膜,单内皮层中空纤维比双皮层膜抗污染能力强。3.3　膜、溶质和溶剂之间的相互作用[1,5]

膜-溶质、溶剂-溶质、溶剂-膜相互作用对膜污染的影响中,以膜与溶质的相互作用影响为主。相互作用力包括:静电作用力,范德华力,溶剂化作用及空间立体作用。

3.4　膜表面粗糙度、孔隙率等膜的物理性质[1,6]

显然,膜表面光滑,则不易污染;膜面粗糙,则易

第29卷　第1期2003年2月 水处理技术 T ECHNOLO GY O F W A T ER TR EA TM EN T

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吸留溶质污染。

3.5　蛋白质浓度[7]

即使溶液中蛋白质等大分子物质的浓度较低(0.001～0.01g L),膜面也可形成足够的吸附,使通量有明显下降。

3.6　溶液pH值和离子强度[8,9,10]

pH值的改变不仅会改变蛋白质的带电状态,也改变膜的性质,从而影响吸附,故是膜污染的控制因素之一。溶液中离子强度的变化会改变蛋白质的构型和分散性,影响吸附。膜面会强烈吸附盐,从而影响膜的通量。

3.7　温　度[7]

温度的影响比较复杂,温度上升,料液粘度下降,扩散系数增加,降低了浓差极化的影响;但温度上升会使料液中的某些组分的溶解度下降,使吸附污染增加,温度过高还会因蛋白质变性和破坏而加重膜的污染,故温度的影响需综合考虑。

3.8　料液流速[7,8]

膜面料液的流动状态,流速的大小都会影响膜污染。料液的流速或剪切力大,有利于降低浓差极化层和膜表面沉积层,使膜污染降低。

此外,膜污染程度还与膜材质,保留液中溶剂及大分子溶质的浓度、性质,膜与料液的表面张力,料液与膜接触的时间,料液中微生物的生长状况,膜的荷电性和操作压力等有关。

4　膜污染防治方法

控制膜污染影响因素,可以大大减小膜污染,延长膜的有效操作时间,减少清洗频率,提高生产能力和效率。可以采用以下措施减轻膜在使用过程中的污染:在膜过滤前,对料液进行预处理,去除一些较大的粒子;调节pH值远离蛋白质的等电点减轻吸附;改变膜材料或膜的表面性质;改善膜组件及膜系统的结构;控制溶液温度、流速、流动状态、压力等。现分别讨论如下:

4.1　料液的预处理[11]

对料液采取有效的预处理,以达到膜组件进水的水质指标(如RO膜要求进料污染指数SD I<5)。如预过滤去除胶体、固体悬浮物及铁锈等;或采用加入絮凝剂,进行预絮凝、预过滤;或改变溶液pH值等,以除去一些能与膜相互作用的溶质。

4.2　改善膜面流体力学条件[11]

改善膜面附近料液的流体力学条件。如提高进料流速以增大膜面料液流动速度,或采用湍流促进器和设计合理的流道结构等方法,使被截留的溶质及时被水流带走。

4.3　减少设备结构的死角和死空间[11]

在膜分离过程中,应注意减少设备结构的死角和死空间间隙,以防止滞留物在其间变质,扩大膜的污染程度。

4.4　提高料液水温[11]

在分离膜允许的最高温度限内,适当提高料液温度,加速分子扩散,提高料液流速;或降低膜两侧的压差或料液浓度,均可减轻浓差极化现象。

4.5　加入消毒剂、杀菌剂、阻垢剂[11,12]

为防止微生物、细菌及有机物的污染,常使用消毒试剂,如含氯试剂、过氧化物、碘化物等;加入阻垢剂如HC l和六偏磷酸钠及其它新型阻垢剂;加入杀菌剂如液氯、N aC l O、H2O2等或非氧化性杀菌剂如异噻唑啉酮;还可采用紫外线杀菌器或电子除菌器。

4.6　膜面预处理[11]

在使用前对膜面进行适当的预处理,可减少膜面的吸附。如以一种对膜的分离特性不会产生很大影响的小分子化合物覆盖膜面,形成一保护层,可以防止膜面和料液中的某些组分起作用。同时,它还可以防止酶在膜处理过程中的失活。

4.7　膜材料的选择[1]

膜的亲疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间的相互作用大小。通常认为亲水膜及膜材料电荷与溶质荷电性相同的膜较耐污染,为了获得永久性耐污染膜,常在膜表面改性时引入亲水基团,或用复合膜手段复合一层亲水性分离层,或用阴极喷镀法在膜表面镀一层碳。

4.8　膜孔径或截留分子量的选择[1,13]

从理论上讲,在保证能截留所需粒子或大分子溶质的前提下,应尽量选择孔径或截留分子量大点的膜,以得到较高透水量。但实验发现,选用较大膜孔径,具有更高污染速率,长时间运行透水量衰减得更快。所以,对于不同分离对象,由于溶液中最小粒子及其特性不同,应用实验来选择最佳孔径的膜。

4.9　溶液pH值控制[1,14]

溶液pH值对蛋白质在水中的溶解性、荷电性及构形有很大的影响。一般,蛋白质在等电点时,溶解度最低;偏离等电点时,溶解度增加,并带电荷。因此用膜分离浓缩蛋白质和酶时,在不使蛋白质变性失活的前提下,一般把pH值调至远离等电点,可以

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