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反滲透膜的污染和污染的控制方法？

閱讀：1發(fā)布時(shí)間：2025-5-26

 膜污染是指在膜過(guò)濾過(guò)程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過(guò)流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。事實(shí)上膜的可靠性是目前阻礙膜技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵之一，而污染問(wèn)題又是影響其可靠性的決定性因素。
 據(jù)調(diào)查，就超濾而言，污染仍是其主要問(wèn)題，污染的消除將使超濾過(guò)程效率提高30%以上，使投資減少15%，而且能提高分離效果，使超濾范圍拓寬。對(duì)膜污染種類及其成因的具體分析，將有助于采取合適的措施減弱或消除它的不良影響。
1　沉淀污染
 以壓力為推動(dòng)力的膜分離技術(shù)有反滲透(RO)，納濾(NF)，超濾(UF)和微濾(MF)。根據(jù)不同膜與水中微粒的相互關(guān)系，可知沉淀污染對(duì)RO和NF的影響尤為顯著。避免沉淀污染的方法主要是減少離子積中陽(yáng)離子或陰離子的濃度。例如，添加酸可減少氫氧化物和碳酸鹽的濃度，使金屬離子沉淀難以生成。原水可通過(guò)石灰軟化沉淀或離子交換等預(yù)處理方法去除易結(jié)垢的金屬離子(如Ca2＋、Mg2＋等)。還可以加入阻垢劑，例如磷酸六甲基，以阻礙沉淀生成。

2　吸附污染

 有機(jī)物在膜表面的吸附通常是影響膜性能的主要因素。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，污染物在膜孔內(nèi)的吸附或累積會(huì)導(dǎo)致孔徑減少和膜阻增大，這是難以恢復(fù)的。腐殖酸和其他天然有機(jī)物(NOM) 即使在較低濃度下，對(duì)滲透率的影響也大大超過(guò)了粘土或其它無(wú)機(jī)膠粒。
 與膜污染相關(guān)的有機(jī)物特征包括它們對(duì)膜的親和性，分子量，功能團(tuán)和構(gòu)型。帶負(fù)電荷功能團(tuán)的有機(jī)聚合電解質(zhì)(如腐殖酸和富里酸)會(huì)與帶有負(fù)電荷的膜表面之間存在靜電斥力。用在水和廢水處理中的聚砜、醋酸纖維樹脂、陶瓷和薄表層復(fù)合膜表面都帶有一定程度的負(fù)電荷。一般來(lái)講，膜表面電荷密度越大，膜的親水性就越強(qiáng)。而疏水作用可增加NOM在膜上的積累，導(dǎo)致更嚴(yán)重的吸附污染。
 根據(jù)化學(xué)組成，可識(shí)別造成膜污染的NOM中的特定組分。利用熱解氣相色譜(GC)/質(zhì)譜(MS) 分餾技術(shù)，識(shí)別出多糖和多羥基芳香族化合物是地表水和巖溶地下水中的兩種主要組分。試驗(yàn)證明，多羥基芳香族化合物比多糖吸附污染嚴(yán)重得多。

NOM除對(duì)膜的直接吸附污染外，對(duì)膠體在膜上的粘附沉積也起著重要作用。

 沉積層中天然水體出現(xiàn)的有機(jī)污染物種類和它們的相對(duì)濃度分析表明，聚酚醛化合物，蛋白質(zhì)和多糖與膠體粘附在一起沉積到膜上，并且在膜表面形成凝膠層。因此，吸附污染和水中有機(jī)物形成凝膠層的穩(wěn)定性影響了純水力清洗的效率。純水力清洗的方法有反沖洗，快速脈沖或橫向流反向沖洗。用作膜化學(xué)清洗的試劑必須能有效溶解凝膠層中的有機(jī)化合物。因此，用作膜的化學(xué)清洗的溶液通常由苛性物質(zhì)和酶劑組成。

3　生物污染

 生物污染是指微生物在膜-水界面上積累，從而影響系統(tǒng)性能的現(xiàn)象。膜組件內(nèi)部潮濕陰暗，是一個(gè)微生物生長(zhǎng)的理想環(huán)境，所以一旦原水的生物活性水平較高，則極易發(fā)生膜的生物污染。膜的生物污染分兩個(gè)階段：粘附和生長(zhǎng)。在溶液中沒(méi)有投入生物殺蟲劑或投入量不足時(shí)，粘附細(xì)胞會(huì)在進(jìn)水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供養(yǎng)下成長(zhǎng)繁殖，形成生物膜。

  在一級(jí)生物膜上的二次粘附或卷吸進(jìn)一步發(fā)展了生物膜。老化的生物膜細(xì)菌主要分解成蛋白質(zhì)、核酸、多糖酯和其它大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)強(qiáng)烈吸附在膜面上引起膜表面改性。被改性的膜表面更容易吸引其它種類的微生物。微生物的一個(gè)重要特征是它們具有對(duì)變化營(yíng)養(yǎng)、水動(dòng)力或其它條件作出迅速生化和基因調(diào)節(jié)的能力。因此，生物污染問(wèn)題比非活性的膠體污染或礦物質(zhì)結(jié)垢更為嚴(yán)重。

 細(xì)菌，真菌和其它微生物組成的生物膜，可直接(通過(guò)酶作用)或間接(通過(guò)局部pH或還原電勢(shì)作用)降解膜聚合物或其它RO單元組件，結(jié)果造成膜壽命縮短，膜結(jié)構(gòu)完整性被破壞，甚至造成重大系統(tǒng)故障。

 可同化性有機(jī)碳(AOC)被認(rèn)為是生物膜的生長(zhǎng)潛勢(shì)。因此，AOC指標(biāo)可以表征生物膜形成的可能性及其程度。研究證實(shí)，細(xì)菌對(duì)不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纖維素膜更易受細(xì)菌污染。所以，生物親和性被降低和易清洗的聚合物為材質(zhì)的分離膜，會(huì)阻礙生物膜的生長(zhǎng)。

  為了發(fā)展膜的生物污染防治技術(shù)，研究者必須首先理解分離膜聚合物的表面分子結(jié)構(gòu)和粘附生物細(xì)胞與膜作用的機(jī)理。為了更好控制膜的生物污染所必需的基礎(chǔ)研究包括以下六個(gè)方面。

(1)了解生物膜中的微生物菌落，以識(shí)別出合適的有機(jī)體用于試驗(yàn)?zāi)M和粘附生物測(cè)定。非生長(zhǎng)基的分子基因測(cè)定是值得推薦的方法，例如核蛋白體RNA基因片段分析，基因試樣生物檢定，熒光現(xiàn)場(chǎng)雜化作用等。

(2)粘附過(guò)程必須在分子和原子一級(jí)的水平上研究，以更好地理解細(xì)胞粘附時(shí)物化作用力的影響。

(3)被改性的膜對(duì)細(xì)菌粘附和初期生物膜形成的影響需進(jìn)一步研究?？偹p反射-傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)測(cè)定有助于分析問(wèn)題。

(4)在生物污染過(guò)程中，細(xì)菌外聚合物(如藻朊酸鹽)與膜材料之間的作用尚未被充分認(rèn)識(shí)到。理論上，分子模擬可以快速和低成本地預(yù)測(cè)膜生物污染。同時(shí)，可用模擬技術(shù)識(shí)別干擾細(xì)胞粘附的新的化學(xué)物質(zhì)。
(5)生物膜本身的結(jié)構(gòu)完整性依靠細(xì)胞之間的分子力，該種作用力和細(xì)胞與相鄰的胞外聚合物(EPS)之間的相互作用有關(guān)。到目前為止，生物膜中細(xì)胞之間作用力的大小和本質(zhì)還不清楚。分子模擬技術(shù)與適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法(如X光衍射)結(jié)合有助于分析問(wèn)題。
(6)目前尚缺乏對(duì)生物膜生理生態(tài)性的了解。有研究指出溴化呋喃(來(lái)自海底藻類)可阻礙細(xì)菌的粘附，削弱生物膜母體溶液的污染影響。
  生物污染可通過(guò)對(duì)進(jìn)水進(jìn)行連續(xù)或間歇的消毒來(lái)控制。但必須考慮該消毒劑對(duì)膜的降解性。研究表明，一氯化胺是一種優(yōu)于氯消毒的生物膜消毒劑，可大大減少微量有機(jī)氧化物，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。廢水中連續(xù)投入3～5mg/L一氯化胺可抑制生物膜生長(zhǎng)(對(duì)膜無(wú)氧化損害)，延長(zhǎng)運(yùn)行周期。
  另外，在膜的脫鹽系統(tǒng)中，低濃度(0.5～1.0mg/L)硫酸銅的添加可抑制藻類生長(zhǎng)。一些表面活性劑和其它化學(xué)試劑可干擾細(xì)菌在膜聚合物上的粘附。另外，可通過(guò)物理手段：如加強(qiáng)橫向流速，增加氣體反沖，來(lái)阻止微生物的粘附。

 上述的三種污染即沉淀污染、吸附污染、生物污染，有時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生，而且發(fā)生一種污染又可能加速另一種污染。進(jìn)行膜處理時(shí)，應(yīng)對(duì)原水組分進(jìn)行分析，識(shí)別造成膜污染的主要原因，以便更好地消除影響，延長(zhǎng)膜的使用壽命。



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