摘要：膜污染是影響膜技術(shù)得以推廣應(yīng)用的主要因素，其機(jī)理尚未完全清楚，本文綜述了近年來關(guān)于膜污染的影響因素的研究成果，從膜的性質(zhì)、膜、溶質(zhì)和溶劑之間的相互作用、料液性質(zhì)三方面因素對(duì)膜污染的影響進(jìn)行了闡述，具體對(duì)膜材質(zhì)、膜孔徑、膜孔隙率、膜電荷性、膜親疏水性、膜粗糙度、膜件結(jié)構(gòu)等膜性質(zhì)、膜與溶質(zhì)間的相互作用以及料液溫度以及料液流速與壓力、pH等料液物理、化學(xué)性質(zhì)對(duì)膜污染的影響進(jìn)行了討論。
　　關(guān)鍵詞：膜組件;膜污染;因素分析
　　
　　膜污染主要是由于流體在分離膜表面的濃差極化和流體中溶質(zhì)與膜面間的相互作用所引起的。總的來說，它是指與膜接觸的料液中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子等與膜間存在物理、化學(xué)或機(jī)械作用，而引起的各種固體或溶質(zhì)成分在膜面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成的膜孔徑變小或堵塞，使膜發(fā)生透過通量變小與分離性能惡化的現(xiàn)象。根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)(IUPAC)的定義，由于懸浮物或可溶性物質(zhì)沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內(nèi)壁，從而造成膜通量降低的過程稱為膜污染。膜污染是影響膜技術(shù)得以推廣應(yīng)用的主要因素，因此研究造成膜污染
　　
　　的影響因素，并減少膜污染，對(duì)膜技術(shù)的推廣應(yīng)用具有極其重要的意義。
　　1膜的性質(zhì)對(duì)膜污染的影響
　　膜的性質(zhì)對(duì)膜污染的影響主要是指膜材質(zhì)、膜孔徑大小、膜電荷性、親疏水性等一系列膜的物化性能對(duì)膜污染的影響。
　　1.1膜材質(zhì)
　　K.H.Choo等人[3]比較了使用聚砜膜、纖維素膜和聚偏氟乙烯三種不同材質(zhì)下膜污染的情況，研究發(fā)現(xiàn)在過濾的初始階段，膜污染的趨勢(shì)主要由膜材質(zhì)所決定，三種膜材質(zhì)中以聚偏氟乙烯膜污染趨勢(shì)最小。K.H.Choo等人研究表明，不同膜材質(zhì)的污染趨勢(shì)與料液對(duì)膜材料的粘附性能有關(guān)，與膜表面張力的分散組分的趨勢(shì)一致，即膜表面張力的分散組分越大，越容易發(fā)生粘附污染，并由此在對(duì)以上三種材質(zhì)的膜比較中得出，聚偏氟乙烯膜的污染趨勢(shì)最小。
　　1.2膜孔徑或截留分子量
　　當(dāng)膜孔徑與粒子或溶質(zhì)尺寸相近時(shí)，容易導(dǎo)致膜孔堵塞。從理論上講，確保污染物被截留的情況下，選擇孔徑大點(diǎn)的膜可以使水通量提高。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，選用較大膜孔徑，反而加速了膜的污染，水通量下降很快。一般來說，膜的切割顆粒尺寸(截留分子量)應(yīng)比要分離的污染物的尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)。Hong.S.P等[4]認(rèn)為，滲透通量下降率隨著膜孔徑的增加而加快。
　　1.3膜孔隙率
　　膜孔隙率影響著溶液通量的大小，由Hagen-Poiseuille公式，結(jié)合Spiegler-Kedem方程、空間阻礙細(xì)孔模型和TMS模型可知，當(dāng)膜厚度、彎曲因子越大，孔隙率越小時(shí)，溶質(zhì)和溶劑的滲透通量越小。同樣，王曉昌等[6]采用Kozeny-Carnen方程也發(fā)現(xiàn)，膜孔隙率和顆粒尺寸越大，膜面污染層比阻越小，膜的滲透通量越大；膜的孔隙率還對(duì)膜溶質(zhì)的截留具有選擇性。
　　1.4膜電荷性質(zhì)
　　有些膜材料本身帶有的電荷或極性基團(tuán)，會(huì)與料液中的荷電體產(chǎn)生相互作用，根據(jù)同者相斥、異者相吸的原理，相斥時(shí)膜面不易被污染，相吸時(shí)膜面易吸附溶質(zhì)而被污染。膜在料液中，由于構(gòu)成膜的高分子材料本身具有電荷性，或由于對(duì)料液中的正負(fù)離子有吸附排斥作用使膜面荷電，從而對(duì)膜性能產(chǎn)生影響。由于天然水體中大多帶有負(fù)電荷膠團(tuán)的微粒和雜質(zhì)，當(dāng)膜面呈正電荷性質(zhì)時(shí)，膠體中的微粒和雜質(zhì)易于沉積于膜面造成污染，使得膜性能下降。反之當(dāng)膜面具有與膠體微粒同性電荷時(shí)，膜不易受到污染。所以在處理一般水溶液時(shí)，選用荷負(fù)電的膜材質(zhì)能起到一定的膜污染防止作用。
　　1.5膜的親疏水性
　　根據(jù)“相似相溶”原理，極性或結(jié)構(gòu)相似的物質(zhì)易于相互吸附，因此膜的親疏水性影響著膜的分離性能。一般來說，親水性聚合物膜表面易附著水層，不易受到生物溶質(zhì)和生物性不溶物的污染，而疏水性膜對(duì)生物具有親和性，更容易導(dǎo)致生物污染等不可逆的污染，加劇膜的污染程度，影響出水的水質(zhì)，因而采用親水性膜比疏水性膜具有更優(yōu)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積，隨著膜表面粗糙度的增高，膜的水通量也相應(yīng)增大，粗糙度與水通量存在著一定的線性關(guān)系；但另一方面，膜表面粗糙度的增加也進(jìn)一步增加了膜表面吸附污染物的可能性。同時(shí)，膜表面粗糙度也通過影響進(jìn)水在膜面的流態(tài)和流速，進(jìn)而影響污染物在膜面上的沉積速率，從而阻礙了污染物在膜表面的形成。Riedl等[7]研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度與表面污染層形貌密切相關(guān)，表面光滑的膜傾向于形成致密的污染層，導(dǎo)致水通量衰減較快，而粗糙度大的膜形成的污染層則較疏松，因此水通量受污染層影響較小。
　　1.7膜件結(jié)構(gòu)的影響
　　膜件結(jié)構(gòu)的選擇很重要，通常不對(duì)稱結(jié)構(gòu)膜較對(duì)稱結(jié)構(gòu)膜耐污染。對(duì)于微濾膜，由于其孔徑較大，相對(duì)來說它的比流動(dòng)阻力是較小的。在實(shí)際應(yīng)用中，微濾膜本身的流動(dòng)阻力與其上形成的覆蓋層的阻力相比較，可以被忽略。所以在微濾的情況下，沒有很薄的膜層，因此也不一定需要不對(duì)稱膜。在超濾的范圍內(nèi)，一般根據(jù)轉(zhuǎn)相過程原理，將膜制成具有粗孔支撐層和細(xì)孔分離活性層的不對(duì)稱膜。
　　2膜、溶質(zhì)和溶劑之間相互作用對(duì)膜污染的影響
　　膜、溶質(zhì)和溶劑三者之間的相互作用中，主要以膜與溶質(zhì)間的相互作用為主，膜與溶質(zhì)間的相互作用可分為：
　　2.1靜電力
　　有些膜材料帶有極性基團(tuán)或可離解基因，因而在與溶液接觸后，由于溶劑化或離解作用使膜表面荷電，它與溶液中荷電溶質(zhì)產(chǎn)生相互作用；當(dāng)二者所帶電荷相同時(shí)，便相互排斥，膜表面不易被污染；當(dāng)所帶電荷相反時(shí)，則相互吸引，膜面易吸附溶質(zhì)而被污染。
　　2.2范德華力
　　范德華力是一種分子間的吸引力，常用比例系數(shù)H(Hamaker常數(shù))表征，與組分的表面張力有關(guān)，對(duì)于水、溶質(zhì)和膜三元體系，決定膜和溶質(zhì)間范德華力的Hamaker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Hamaker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。
　　2.3溶劑化作用
　　親水的膜表面與水形成氫鍵，這種水處于有序結(jié)構(gòu)，當(dāng)疏水溶質(zhì)要接近膜表面，必須破壞有序水，這需要能量，不易進(jìn)行；而疏水膜表面上的水無氫鍵作用，當(dāng)疏水溶質(zhì)靠近膜表面時(shí)，擠開水是一個(gè)疏水表面脫水過程，是一個(gè)熵增大過程，容易進(jìn)行，因此二者之間有較強(qiáng)的相互作用。
　　3料液性質(zhì)對(duì)膜污染的影響
　　3.1料液的物理性質(zhì)
　　料液物理性質(zhì)主要包括料液粒子或溶質(zhì)尺寸、料液溫度、料液的流速與壓力以及料液粘度、濃度等方面。當(dāng)膜孔尺寸與料液中的粒子或溶質(zhì)大小相近時(shí)，料液中的粒子會(huì)在壓力的作用下被溶劑帶向膜，造成膜孔堵塞；而當(dāng)膜孔徑小于粒子或溶質(zhì)尺寸時(shí)，由于受到橫切流的作用，使得這些粒子或溶質(zhì)很難在膜表面聚集，因而不易造成膜孔堵塞。料液溫度對(duì)膜污染的影響具有雙重作用，提高料液溫度可以降低料液粘度、增加擴(kuò)散系數(shù)，從而使?jié)獠顦O化的影響降低；但溫度上升同時(shí)也會(huì)降低料液中某些組分的溶解度，造成膜表面的吸附污染增加。料液流速與壓力對(duì)膜透水率影響通常是相互關(guān)聯(lián)的，當(dāng)料液流速保持一定且濃差極化不明顯之前，膜的透水率會(huì)隨著壓力增加近似直線增加。當(dāng)濃差極化起作用后，透水率隨壓力提高而曲線增加，濃差極化隨之嚴(yán)重，使透水率隨壓力增加脫離線性關(guān)系。當(dāng)壓力升高到一定數(shù)值后，濃差極化使膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到極限濃度，溶質(zhì)在膜表面開始析出形成凝膠層。此時(shí)，凝膠層阻力對(duì)膜通量影響起決定作用，透水率幾乎不依賴于壓力。因此要選擇合適的壓力與料液流速，以保證得到最佳透水率的同時(shí)避免凝膠層的形成。
　　3.2料液的化學(xué)性質(zhì)
　　料液化學(xué)性質(zhì)主要指料液中各溶質(zhì)組成成分、形態(tài)、pH及離子強(qiáng)度等。J.Brinek等人[9]通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)溶液pH值對(duì)脂肪酸在疏水性的膜的吸附有很大影響。當(dāng)pH值減小時(shí)，吸附變多。當(dāng)形成邊界層濃度達(dá)到飽和濃度時(shí)，吸附急劇增加。當(dāng)pH值大于7—8時(shí)。就幾乎沒有脂肪酸的吸附，因?yàn)檫@時(shí)脂肪酸都變成其相應(yīng)的鹽，而鹽的溶解度比其脂肪酸的溶解度要高很多。料液中的離子強(qiáng)度增加會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)的構(gòu)型和分散性改變，影響吸附；同時(shí)有實(shí)驗(yàn)表明，料液中的鹽易被膜面吸附，影響膜通量。
　　4結(jié)論
　　綜上，膜污染的影響因素不僅與膜材質(zhì)、膜孔徑大小、膜孔隙率、膜電荷性、膜的親疏水性、膜面粗糙度及膜件結(jié)構(gòu)等膜的自身特性有關(guān)，也與膜與溶質(zhì)、溶液相互之間的作用關(guān)系以及料液物理、化學(xué)性質(zhì)諸如料液成分、溶質(zhì)尺寸、料液溫度、料液流速和壓力等方面有關(guān)，對(duì)于具體的應(yīng)用對(duì)象，應(yīng)根據(jù)具體情況作綜合考慮。
　　
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