多孔膜的污染及其控制方法
摘 要:針對膜污染這一制約膜工業(yè)化應(yīng)用的重要因素 ,從膜材料特性和分離液構(gòu)成對膜污染的影響、膜污染機(jī)理及模型、膜污染的防治策略等幾個(gè)方面 ,介紹了近幾年來國內(nèi)外學(xué)者對超濾、微濾膜污染問題的一些研究結(jié)果;并對減少或防止膜污染的方法進(jìn)行歸納 ,具體評價(jià)了原料液預(yù)處理、膜表面改性、操作條件優(yōu)化及化學(xué)清洗對減輕多孔膜污染的效果。
關(guān)鍵詞:多孔膜;膜污染;膜清洗
多孔膜包括微濾膜和超濾膜 ,一般認(rèn)為兩者的分離機(jī)理均為篩孔分離過程.微濾和超濾技術(shù)是膜分離技術(shù)中研究較早、也較為成熟的兩種技術(shù).然而在其使用過程中 ,由于濃差極化和膜污染等問題的存在 ,嚴(yán)重阻礙了多孔膜技術(shù)更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用.人們試圖通過一些經(jīng)濟(jì)有效的方法來減輕膜污染 ,提高滲透通量.“抗污染”已成為膜研究領(lǐng)域的重要課題.國內(nèi)外很多學(xué)者就此問題在很多方面進(jìn)行了探討和研究 ,本文將對國內(nèi)外多孔膜的污染及其控制研究進(jìn)展的現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。
1 分離膜材料特性與膜污染
1. 1 膜表面與膜孔結(jié)構(gòu)
多孔膜的物理性能包括表面粗糙度、孔徑分布、形態(tài)及孔隙率等.膜面光滑不易被污染 ,孔徑分布窄也不易被污染.Bromley 等人[1 ]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,相對于圓形多孔膜而言 ,一種狹長孔膜不易在膜孔上產(chǎn)生微粒架橋形成濾餅或第二層膜 ,使一些更小的微粒能夠通過膜孔而抗污效果明顯. Carroll 等人[2 ]認(rèn)為 ,對于中空纖維膜而言 ,膜污染速率與膜長度、分離孔徑、膜厚度及從原液中被截留的物質(zhì)都有關(guān)系。
1. 2 膜表面性能的影響
膜的表面性能 ,如親水性、疏水性、荷電性會影響到膜與溶質(zhì)間相互作用力的大小及膜的污染程度.對于親疏水性 ,一般而言 ,膜的分離體系均為水相體系 ,親水性的膜表面與水形成氫鍵 ,使之處于有序結(jié)構(gòu) ,當(dāng)疏水溶質(zhì)要接近膜表面 ,必須打破這種有序結(jié)構(gòu) ,顯然不易進(jìn)行 ,所以膜面不易被污染;而疏水膜表面上的水無氫鍵作用 ,疏水溶質(zhì)接近膜表面是個(gè)增熵自發(fā)過程 ,所以膜易被污染[3 ].對于荷電性 ,有些膜材料帶有極性基團(tuán)或可離解基團(tuán) ,與溶液接觸后 ,由于溶劑化作用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 ,同性電荷排斥 ,膜表面不易污染;異性電荷吸引 ,膜面易吸附溶質(zhì)而被污染. 如陰極電泳漆超濾(UF)系統(tǒng)中 ,由于陰極電泳漆的固體含量很高 ,且主要成分為水溶性的高分子乳液涂料和極細(xì)的膠體狀顏料 ,故膜極易污染.為提高膜的抗污染性 ,目前 ,陰極電泳漆UF系統(tǒng)采用荷正電膜 ,陽極電泳漆UF系統(tǒng)采用荷負(fù)電膜 ,以電荷排斥來防止電泳漆在膜面上聚集 ,從而達(dá)到了低操作壓力、高通量、長壽命和易清洗等各項(xiàng)目的[4 ]。
2 分離體系構(gòu)成與膜污染
2. 1 溶液pH值影響
溶液pH值對蛋白質(zhì)在水中的溶解性、荷電性及構(gòu)象有很大影響.一般來講 ,蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí) ,溶解度最低;偏離等電點(diǎn)時(shí) ,溶解度增加并帶電荷. Claudia等人[5 ]在微濾重組細(xì)胞內(nèi)去角質(zhì)酶時(shí)發(fā)現(xiàn) ,電解質(zhì)溶液隨pH變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)流的流量變化極大 ,污染情況也隨之變化.因?yàn)樵陔娮语@微鏡下并未觀察到膜結(jié)構(gòu)變化 ,作者認(rèn)為這和電流粘滯效應(yīng)及鹽截流有關(guān). 同時(shí) ,溶液 pH值也影響無機(jī)鹽對膜的污染.低 pH可使碳酸鹽在膜表面的沉淀轉(zhuǎn)為可溶性鹽 ,從而減輕污染程度。
2. 2 溶液中鹽濃度的影響
無機(jī)鹽對膜過濾過程有很大影響.溶解度極小的無機(jī)鹽及一些無機(jī)鹽復(fù)合物會在膜表面或膜孔內(nèi)直接沉積 ,或使膜對蛋白質(zhì)的吸附增強(qiáng)而發(fā)生污染;或是無機(jī)鹽改變離子濃度 ,影響到蛋白質(zhì)溶解性、構(gòu)象與懸浮形態(tài) ,使形成的沉積層疏密程度改變 ,從而對膜的滲透性產(chǎn)生影響.由于多孔膜分離機(jī)理為篩孔分離 ,無機(jī)鹽同樣可通過改變水粘度、活度影響到膜滲透阻力. Ea2gles等人[6 ]模擬啤酒成分進(jìn)行微濾時(shí)發(fā)現(xiàn) ,隨著鈣離子濃度增加 ,含淀粉溶液滲透通量略有下降 ,而含干酪素溶液的滲透通量明顯增加 ,其中乙醇、麥芽糖的截留率則顯著下降.由于鈣離子濃度增加導(dǎo)致離子強(qiáng)度增加 ,這可能會電屏蔽淀粉分子使它們壓縮更緊密.含干酪素的溶液在低濃度鈣下很容易產(chǎn)生沉淀 ,形成更疏松的沉積層導(dǎo)致通量增加.但是干酪素因沉積而無法對乙醇、麥芽糖形成吸附 ,所以造成它們的截留率下降.Malgorzata等人[3 ]在研究含腐殖酸和鈣鹽的溶液超濾時(shí)認(rèn)為 ,鈣濃度增大 ,離子濃度增加 ,使腐殖酸產(chǎn)生一種“收縮” ,和金屬離子生成的絡(luò)合體會阻塞膜孔。
2. 3 原液中膠體物質(zhì)穩(wěn)定性的影響
Yiantsios 等人[7 ]經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) ,原液中膠體穩(wěn)定性越大 ,膜越不易被污染 ,采用反沖可使通量很容易地恢復(fù).隨著膠體穩(wěn)定性降低 ,會在膜表面吸附形成較厚的沉積層 ,使污染加劇且不易清洗。
2. 4 溶液溫度的影響
溫度對膜污染影響的機(jī)理目前尚不是很清楚 ,根據(jù)一般規(guī)律 ,溶液溫度升高 ,其粘度下降 ,透水率應(yīng)能提高[8 ].但對某些蛋白質(zhì)溶液 ,溫度升高 ,其透水率下降 ,這是由于溫度較高時(shí)某些蛋白質(zhì)的溶解性下降的緣故。
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