影响膜性能的因素1

膜在使用一段时间后会产生浓差极化和膜污染现象,它们是膜分离技术在水处理中不可避免要面临的问题。解决好这个问题后,就可以对膜进行重复使用了。对于浓差极化,可以通过调节通量J和传质系数K来实现。K主要取决于扩散系数、流速和膜器的构型,因为扩散系数无法提高(只有改变温度才能改变D),K只有通过提高沿模表面的原料流速和改变膜器的构型(减少膜器长度、增大水力学直径或完全改变设计)进行调节。解决膜污染应对每一个具体分离问题进行特殊的处理,常用的方法有以下几种:一是对原料液预处理。包括热处理、调节PH值、加配合剂(EDTA)、氯化、活性炭吸附、化学净化、预微滤、预超滤。二是改变膜的性质。一般来说,多孔膜的污染比致密膜的污染严重得多,孔径分布窄有助于减少污染,采用亲水膜而不是疏水膜也可能有利于减少污染。三是清洗。包括水力学清洗(适用于微滤膜和疏松的超滤膜)、机械清洗(只适用于采用超型海绵球的管式系统)、化学清洗(最重要的减少污染方法)和电清洗(特殊的清洗方法)。

性能指标：如多孔膜的表征包括结构相关系数(孔径、孔径分布、皮层厚度和表面孔隙率)和渗透相关系数两类;离子膜的特性可由表面电荷ξ电位、电阻和离子渗透性等参数表示,无孔膜的表征要考虑的最重要的因素是聚合物的化学性质和形态及聚合物与渗透物之间的相互作用,而不是分子或分子大小。

膜的物理化学稳定性

目前所用的分离膜大多数是以高聚物为膜材料、需要定期更换。这是因为高聚物在长期使用中,与光、热、氧气或酸、碱相接触,容易老化。膜分离过程中除上述因素外,还有其他因素。例如有些反渗透过程或气体分离过程是在几十到上百个大气压下进行的。高聚物膜长期处在高压下,会发生被压密现象,它会使膜在长期使用中透量慢慢减少(这种变化是不可逆的),终至达到不能使用的极限。又如,膜在使用过程中与混合物接触的表面会被各种各样的杂质所污染,它们遮住了膜的表面,阻碍了被分离混合物的直接接触,等于减少了膜的有效使用面积,还有一些污染物会破坏高聚物的结构。污染造成的膜性能减退大部分可以通过清洗的方法使它基本上恢复。膜的更换周期关系着生产成本,十分重要。

膜技术存在的问题：

在用膜技术处理水的应用过程中，产生膜的污染是在所难免的，产生膜的污染的原因很多，膜污染原因比较复杂，但究其主要原因是浓差极化和膜污染。浓差极化是膜表面局部浓度增加引起边界层流体阻力增加，导致传质推动力下降的现象，而膜污染是指料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子由于与膜之间存在物理化学作用而在膜表面及膜孔中沉积，使膜孔堵塞或变小，膜阻增大，膜的渗透速率下降的现象[26]。

多年来，国内外在膜污染的理论研究和应用实践的基础上，积累了不少行之有效的经验和方法，在此介绍几种方法。

2.1改变膜材料质量及其表面性能Malogorzata等人[27]研究发现膜的亲水性越好,膜污染越轻。因此选择亲水性强膜组件可以减轻膜污染。

2.2减小水中盐浓度

水中溶解度小的金属氢氧化物或盐会直接在膜表面沉积，引起膜污染；此外，Malogorzata 等人[27]在对含腐殖酸和钙盐的溶液进行超滤时,发现钙离子浓度增加会使腐殖酸产生一种“收缩”，和金属离子生成的络合体会阻塞膜孔。由铁锰等引起的污染,用HCl等酸性药剂进行清洗，可使膜通量得到较好的。恢复效果。

2.3改变水的pH值

Kerry[28]的研究发现,原水偏酸性(pH<6)或偏碱性(pH=9)条件下膜污染比中性条件下轻。把原水调到适当的pH值进行处理也是减轻膜污染的措施之一。

2.4减少水中有机物种类

Crozes等人[29]研究发现超滤膜污染的主要因素是疏水性有机物的吸附污染;Lin等人[30]

研究发现天然有机物中腐殖酸是UF膜的主要污染源,并且发现腐殖酸的羧基基团的含量越高越容易导致膜的污染。可以通过在超滤前采用适当的预处理工艺减轻这类膜污染。由有机物引起的膜污染可以用NaClO或NaOH进行化学清洗恢复膜通量。

在膜生物反应器中,膜污染主要有两种情况:附着层和通道堵塞

模拟实验采用如下方法清洗:水(0.5h)→0.盐酸(0.5h)→0.5%氢氧化钠(0.5h)→水(0.5h)考察了新膜组件和清洗后膜组件对聚氯乙烯工业废水COD和SS去除效果的影响,结果如表1和图所示。

表1膜组件在清洗前后对废水COD和

SS去除效果膜组件清洗前后

COD(mg/L) SS(mg/L) RCOD(%) RSS(%)

清洗前16 5 92 96

清洗后30 9 85 94

操作条件:MLSS10g/L;pH8.7;温度25℃;曝气量0.4m3/h;时间24h

4.5反渗透装置运行中应考虑的因素

a)影响膜寿命的一个重要因素是膜的水解速度。当膜水解时,透水量和透盐率将增加,而产水质量明显劣化。进水的pH值和温度对水解速度的影响明显,一般pH值在4.7左右时,水解速度最小。在实际运行中,应根据膜材料对水解影响因素的不同确定合适的pH值。

b)合理控制反渗透装置的运行压力。提高系统运行压力,将增大透水量,减少透盐率。对于新的膜组件,由于膜压密不是太严重,相应膜的阻力小,透水量较大。因此,对运行初期的膜,在满足产水量和脱盐率的情况下,运行压力宜采用比正常压力较低的为好。

c)反渗透装置在运行中也容易产生浓差极化现象。对中空纤维膜,水流方向与膜表面是垂直状态,产生浓差极化的机会少。对卷式膜元件,有必要维持适当的给水流速,以防止发生浓差极化。

d)目前反渗透一般投加阻垢剂以防止膜元件结垢。在具体运行中应根据水中杂质的含量选用合适的阻垢剂,认真作好阻垢剂投加量的小型试验工作,并保证加药的均匀性。

4.6电除盐装置运行中应考虑的因素

a)电除盐膜堆电压逐渐增加时,淡室中树脂与膜表面的浓度扩散层中的水在电势梯度作用下发生水解离现象,产生H+和OH-。它们不仅能负载部分电流,同时也将填存在淡室中的混床树脂上的盐离子置换下来,将树脂电再生为H+型和OH-型,使更多的离子参与负载电流。随电压的升高,膜堆电流增加,当膜堆电压升高到一定程度,水解离加剧,淡室中产生过量的H+及OH-,进一步改善淡室的导电性能。

b)膜堆电流是影响电除盐产水电导率最主要的因素之一。不同的操作电压可以导致不同的膜堆电流。随电流的增加, EDI产水电导率迅速下降,但电流达一定值时产水电导率随电流的升高而下降的幅度变小。在实践生产中,要对EDI的电压-电流特性进行调整试验。提高EDI 的操作电流可得到高质量的纯水,但从提高膜堆电流效率的角度出发,操作电流又不易太高,具体应结合锅炉对补给水的水质要求通过试验方式确定。

c) EDI使用过程中,为防止浓水中难溶盐达到沉积状态,需要连续地从浓水室中排出一部分水,而从EDI给水中补充部分水。调节浓水循环量可确定EDI装置的回收率。EDI的回收率可达90%~95%,但回收率在67%以上时产水电导率随EDI水回收率的增加而降低的趋势减缓。具体生产时需根据锅炉对水质的要求确定合适的回收率。

5膜元件化学清洗时应考虑的因素

a)重视系统水质定期标准化分析工作,把产水流量、脱盐率等指标核算到可比的标准工况下是十分必要的。当出水水质劣化达到设备相应的清洗条件时应及时安排清洗。受污染的程度越高,膜元件越难清洗。