微滤\超滤\纳滤膜组件中膜污染因素分析

摘要：膜污染是影响膜技术得以推广应用的主要因素，其机理尚未完全清楚，本文综述了近年来关于膜污染的影响因素的研究成果，从膜的性质、膜、溶质和溶剂之间的相互作用、料液性质三方面因素对膜污染的影响进行了阐述，具体对膜材质、膜孔径、膜孔隙率、膜电荷性、膜亲疏水性、膜粗糙度、膜件结构等膜性质、膜与溶质间的相互作用以及料液温度以及料液流速与压力、pH等料液物理、化学性质对膜污染的影响进行了讨论。

关键词：膜组件; 膜污染; 因素分析

Abstract: the membrane pollution is affecting membrane technology to the main factors of application, the mechanism is not entirely clear, this paper reviewed recent film about the effects of the pollution of the research achievements of factors, from the nature of the film, film, solute and solvent, the interaction between the liquid materials properties of three factors the effects of the pollution of the membrane were introduced, on specific membrane materials and membrane aperture, membrane porosity, membrane charge sex, film or water, membrane roughness, membrane a structure, film and film properties of the interaction between the solute and material liquid temperature and velocity and pressure, the liquid materials such as pH material liquid physical and chemical properties of the effects of the pollution of the film are discussed.

Keywords: membrane module; Membrane pollution; Factor analysis

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：

膜污染主要是由于流体在分离膜表面的浓差极化和流体中溶质与膜面间的相互作用所引起的。总的来说，它是指与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子等与膜间存在物理、化学或机械作用，而引起的各种固体或溶质成分在膜面或膜孔内吸附、沉积造成的膜孔径变小或堵塞，使膜发生透过通量变小与分离性能恶化的现象。根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义，由于悬浮物或可溶性物质沉积在膜的表面、孔隙和孔隙内壁，从而造成膜通量降低的过程称为膜污染。膜污染是影响膜技术得以推广应用的主要因素，因此研究造成膜污染

的影响因素，并减少膜污染，对膜技术的推广应用具有极其重要的意义。

1 膜的性质对膜污染的影响

膜的性质对膜污染的影响主要是指膜材质、膜孔径大小、膜电荷性、亲疏水性等一系列膜的物化性能对膜污染的影响。

1.1 膜材质

K.H.Choo等人[3]比较了使用聚砜膜、纤维素膜和聚偏氟乙烯三种不同材质下膜污染的情况，研究发现在过滤的初始阶段，膜污染的趋势主要由膜材质所决定，三种膜材质中以聚偏氟乙烯膜污染趋势最小。K.H.Choo等人研究表明，不同膜材质的污染趋势与料液对膜材料的粘附性能有关，与膜表面张力的分散组分的趋势一致，即膜表面张力的分散组分越大，越容易发生粘附污染，并由此在对以上三种材质的膜比较中得出，聚偏氟乙烯膜的污染趋势最小。

1.2 膜孔径或截留分子量

当膜孔径与粒子或溶质尺寸相近时，容易导致膜孔堵塞。从理论上讲，确保污染物被截留的情况下，选择孔径大点的膜可以使水通量提高。但实验发现，选用较大膜孔径，反而加速了膜的污染，水通量下降很快。一般来说，膜的切割颗粒尺寸(截留分子量)应比要分离的污染物的尺寸小一个数量级。Hong.S.P等[4]认为，渗透通量下降率随着膜孔径的增加而加快。

1.3 膜孔隙率

膜孔隙率影响着溶液通量的大小，由Hagen-Poiseuille公式，结合Spiegler -Kedem方程、空间阻碍细孔模型和TMS模型可知，当膜厚度、弯曲因子越大，孔隙率越小时，溶质和溶剂的渗透通量越小。同样，王晓昌等[6]采用Kozeny-Carnen方程也发现，膜孔隙率和颗粒尺寸越大，膜面污染层比阻越小，膜的渗透通量越大；膜的孔隙率还对膜溶质的截留具有选择性。

1.4 膜电荷性质

有些膜材料本身带有的电荷或极性基团，会与料液中的荷电体产生相互作用，根据同者相斥、异者相吸的原理，相斥时膜面不易被污染，相吸时膜面易吸附溶质而被污染。膜在料液中，由于构成膜的高分子材料本身具有电荷性，或由于对料液中的正负离子有吸附排斥作用使膜面荷电，从而对膜性能产生影响。由于天然水体中大多带有负电荷胶团的微粒和杂质，当膜面呈正电荷性质时，胶体中的微粒和杂质易于沉积于膜面造成污染，使得膜性能下降。反之当膜面具有与胶体微粒同性电荷时，膜不易受到污染。所以在处理一般水溶液时，选用荷负电的膜材质能起到一定的膜污染防止作用。

1.5 膜的亲疏水性

根据“相似相溶”原理，极性或结构相似的物质易于相互吸附，因此膜的亲疏水性影响着膜的分离性能。一般来说，亲水性聚合物膜表面易附着水层，不易受到生物溶质和生物性不溶物的污染，而疏水性膜对生物具有亲和性，更容易导致生物污染等不可逆的污染，加剧膜的污染程度，影响出水的水质，因而采用亲水性膜比疏水性膜具有更优良的抗污染特性。

1.6 膜面粗糙度

增加膜表面粗糙度可以加大膜表面积，随着膜表面粗糙度的增高，膜的水通量也相应增大，粗糙度与水通量存在着一定的线性关系；但另一方面，膜表面粗糙度的增加也进一步增加了膜表面吸附污染物的可能性。同时，膜表面粗糙度也通过影响进水在膜面的流态和流速，进而影响污染物在膜面上的沉积速率，从而阻碍了污染物在膜表面的形成。Riedl等[7]研究发现，粗糙度与表面污染层形貌密切相关，表面光滑的膜倾向于形成致密的污染层，导致水通量衰减较快，而粗糙度大的膜形成的污染层则较疏松，因此水通量受污染层影响较小。

1.7 膜件结构的影响

膜件结构的选择很重要，通常不对称结构膜较对称结构膜耐污染。对于微滤膜，由于其孔径较大，相对来说它的比流动阻力是较小的。在实际应用中，微滤膜本身的流动阻力与其上形成的覆盖层的阻力相比较，可以被忽略。所以在微滤的情况下，没有很薄的膜层，因此也不一 定需要不对称膜。在超滤的范围内，一般根据转相过程原理，将膜制成具有粗孔支撑层和细孔分离活性层的不对称膜。

2 膜、溶质和溶剂之间相互作用对膜污染的影响

膜、溶质和溶剂三者之间的相互作用中，主要以膜与溶质间的相互作用为主，膜与溶质间的相互作用可分为：

2.1 静电力

有些膜材料带有极性基团或可离解基因，因而在与溶液接触后，由于溶剂化或离解作用使膜表面荷电，它与溶液中荷电溶质产生相互作用；当二者所带电荷相同时，便相互排斥，膜表面不易被污染；当所带电荷相反时，则相互吸引，膜面易吸附溶质而被污染。

2.2 范德华力

范德华力是一种分子间的吸引力，常用比例系数H(Hamaker常数)表征，与组分的表面张力有关，对于水、溶质和膜三元体系，决定膜和溶质间范德华力的Hamaker常数为：

H213=[H111/2-(H22×H33)1/4]2

式中，H11、H22和H33分别是水、溶质和膜的Hamaker常数，由上式可见，H213始终是正值或零。若溶质或膜是亲水的，则H22或H33值增高，使H213值降低，即膜和溶质间吸引力减弱，较耐污染及易清洗。

2.3 溶剂化作用

亲水的膜表面与水形成氢键，这种水处于有序结构，当疏水溶质要接近膜表面，必须破坏有序水，这需要能量，不易进行；而疏水膜表面上的水无氢键作用，当疏水溶质靠近膜表面时，挤开水是一个疏水表面脱水过程，是一个熵增大过程，容易进行，因此二者之间有较强的相互作用。

3 料液性质对膜污染的影响

3.1 料液的物理性质

料液物理性质主要包括料液粒子或溶质尺寸、料液温度、料液的流速与压力以及料液粘度、浓度等方面。当膜孔尺寸与料液中的粒子或溶质大小相近时，料液中的粒子会在压力的作用下被溶剂带向膜，造成膜孔堵塞；而当膜孔径小于粒子或溶质尺寸时，由于受到横切流的作用，使得这些粒子或溶质很难在膜表面聚集，因而不易造成膜孔堵塞。料液温度对膜污染的影响具有双重作用，提高料液温度可以降低料液粘度、增加扩散系数，从而使浓差极化的影响降低；但温度上升同时也会降低料液中某些组分的溶解度，造成膜表面的吸附污染增加。料液流速与压力对膜透水率影响通常是相互关联的，当料液流速保持一定且浓差极化不明显之前，膜的透水率会随着压力增加近似直线增加。当浓差极化起作用后，透水率随压力提高而曲线增加，浓差极化随之严重，使透水率随压力增加脱离线性关系。当压力升高到一定数值后，浓差极化使膜表面溶质浓度达到极限浓度，溶质在膜表面开始析出形成凝胶层。此时，凝胶层阻力对膜通量影响起决定作用，透水率几乎不依赖于压力。因此要选择合适的压力与料液流速，以保证得到最佳透水率的同时避免凝胶层的形成。

3.2 料液的化学性质

料液化学性质主要指料液中各溶质组成成分、形态、pH及离子强度等。J.Brinek等人[9]通过实验，发现溶液pH值对脂肪酸在疏水性的膜的吸附有很大影响。当pH值减小时，吸附变多。当形成边界层浓度达到饱和浓度时，吸附急剧增加。当pH值大于7―8时。就几乎没有脂肪酸的吸附，因为这时脂肪酸都变成其相应的盐，而盐的溶解度比其脂肪酸的溶解度要高很多。料液中的离子强度增加会导致蛋白质的构型和分散性改变，影响吸附；同时有实验表明，料液中的盐易被膜面吸附，影响膜通量。

4 结论

综上，膜污染的影响因素不仅与膜材质、膜孔径大小、膜孔隙率、膜电荷性、膜的亲疏水性、膜面粗糙度及膜件结构等膜的自身特性有关，也与膜与溶质、溶液相互之间的作用关系以及料液物理、化学性质诸如料液成分、溶质尺寸、料液温度、料液流速和压力等方面有关，对于具体的应用对象，应根据具体情况作综合考虑。

参考文献

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