超濾膜污染的主要成因分析

朱軒慧 唐玉蘭

摘要：膜污染是制約膜應(yīng)用的主要原因，綜述了膜污染的主要成因和改性方法，并對控制膜污染進行了展望。

關(guān)鍵詞：膜污染；膜壽命；膜改性

膜的分離技術(shù)因為具有節(jié)能、高效、清潔等優(yōu)點，而被許多研究者關(guān)注。膜的分離技術(shù)早在20世紀初就出現(xiàn)了，20世紀60年代后迅速崛起。迄今，已在各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如水處理、食品、環(huán)保、能源、電子、醫(yī)藥、化工、石油、生物、冶金、仿生等領(lǐng)域，而且在各個領(lǐng)域都發(fā)展的很快。然而，膜的壽命和膜污染嚴重制約了其應(yīng)用，尤其是水處理領(lǐng)域。

一、膜污染及改性方法

超濾膜受到污染的原因主要有以下三個方面：表面的附著、顆粒的阻塞、表面的吸附；如果一個膜能夠最大限度的克服這三個方面的污染，那么這個膜只要通過最簡單的反沖洗就可以達到非常理想的清洗效果，從而可以更好的應(yīng)用于大規(guī)模的水處理工程中。

第一，表面的附著，在實際濾水過程中，可以通過定期加入次氯酸鈉來殺菌，這個方法可以用來杜絕膜的表面吸附著；

第二，在膜的制造過程中，可以通過嚴格的質(zhì)量檢驗，觀察到如果膜的孔徑分布很窄，并且沒有大孔缺陷，就能很高效的克服顆粒的阻塞；

第三，為了克服表面的吸附，可以利用親水性永久的膜材料，通過這種方法可以很好的克服膜表面的吸附對膜造成的污染。如果克服了這三方面的污染問題，也就能保證了超濾膜組件在大規(guī)模水處理工程應(yīng)用中的可靠性。

膜污染是膜過濾技術(shù)的一個主要挑戰(zhàn)。在膜操作期間，膠體、微生物和天然有機物質(zhì)（NOM）的積累是結(jié)垢的主要原因。當(dāng)膜污染累積時，流量下降并且操作壓力也會增加。如果膜很脆弱，容易損壞，則需要更頻繁的進行物理和化學(xué)清洗，而最終會導(dǎo)致更短的膜壽命。因此，已經(jīng)進行了許多研究來改善膜的耐污染性。根據(jù)過去的研究，膜污染主要是由骨架材料的內(nèi)在疏水性引起的。幾個研究已經(jīng)表明，膜污染的抗性可以通過增加膜的親水性來改善。已經(jīng)有研究證明了幾種方法可以改善膜的親水性。這些方法可以分為表面涂層，表面接枝和界面聚合。但是，這些方法具有幾個缺點。

例如，表面涂層是使用物理吸附，從溶液涂覆薄膜上的水溶性聚合物或表面活性劑的薄層，涂層通常是不穩(wěn)定的，并且可以在膜操作期間被洗掉。為了在膜表面上引入官能團，表面接枝需要額外的步驟，例如UV光引發(fā)，氧化還原引發(fā)，γ射線引發(fā)或等離子體引發(fā)，這使得表面接枝不適用于大規(guī)模工業(yè)制造。界面聚合通常在高度危險的條件下進行。最近應(yīng)用于改善膜的親水性的另一種方法是共混改性。在共混改性方法中，在膜制備過程中，在膜澆鑄溶液中加入添加劑（例如親水性聚合物，兩親性聚合物和兩性離子聚合物）當(dāng)將共混改性方法與其它改性方法比較時，共混改性方法是簡單的并且適用于大規(guī)模工業(yè)制造。

在共混改性中，共聚物已經(jīng)用于改善超濾膜的親水性。幾個研究表明，通過將共聚物加入到流延涂料中，通過相轉(zhuǎn)化技術(shù)澆鑄的膜的親水性和耐污染性已經(jīng)顯著改善。

兩親共聚物通常用于共混改性方法中，因為這種類型的共聚物中的疏水鏈段可以與膜主鏈基質(zhì)物理結(jié)合，而親水鏈段將在膜表面上延伸以增加膜親水性。

由于高孔密度，共聚物的自組裝可以導(dǎo)致均勻的孔徑分布和高通量。具有均勻孔徑的膜可以比具有寬孔徑分布的膜表現(xiàn)出更好的選擇性。通常，制造沒有任何結(jié)構(gòu)缺陷的膜是不容易的。如果存在諸如大孔的缺陷，則大多數(shù)顆粒或分子將首先通過這些孔，因為它們具有最小的電阻。自組裝是下一代超濾膜制造，因為它可以形成具有高孔密度的無缺陷膜。這樣的膜具有高通量和優(yōu)異的分子量截止。

二、膜壽命

膜壽命是指膜可用于過濾而不用新膜替換的時期。膜壽命與膜骨架材料的性質(zhì)有關(guān)。膜骨架材料是用于澆鑄膜的主要材料。在膜過濾過程中，由于膠體、微生物和天然有機物質(zhì)的積累將發(fā)生膜污染。膜結(jié)垢是我們不希望看到的現(xiàn)象，因為它降低了膜過濾過程的效率。為了保持膜的性能，需要進行清洗過程。由于必要的清潔過程（例如，空氣沖洗，反向沖洗和化學(xué)清潔）以維持膜的性能，膜主鏈材料的固有性質(zhì)對于膜壽命是必需的。優(yōu)異的骨架膜材料應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)異的物理性能（例如，魯棒的機械強度）和化學(xué)性質(zhì)（例如酸和堿電阻）。用于制備膜的普通聚合物包括聚偏二氟乙烯（PVDF），聚四氟乙烯（PTFE），聚醚砜（PES），聚丙烯（PP），聚氯乙烯（PVC），聚砜（PSF）等。近年來，PVC和PVDF膜由于其良好的物理和化學(xué)性質(zhì)已經(jīng)用于許多應(yīng)用中。

三、展望

雖然可以通過增加反沖洗強度和頻率、改善原水的預(yù)處理技術(shù)以及提高膜表面流速等操作條件來控制膜污染，但這些方法只能在一定程度上減輕膜污染的現(xiàn)象，并不能從根本上解決膜污染的問題。因此，在今后的研究中，應(yīng)該去尋找新的制膜方法。目前對PVDF膜親水改性的方法可歸結(jié)為本體改性和表面改性兩大類，前者主要通過在膜材料中引入極性基團以從整體上改善膜的親水性，后者主要是通過在膜表面引入極性基團以提高膜的親水性。綜上，膜的親水性的改良、抗污染性能的提高是解決膜污染問題的根本途徑。

參考文獻：

[1]王姣，孫黎明.超濾膜材料及發(fā)展趨勢[J].化學(xué)工程與裝備，2008，（9）：123124.

[2]呂立盈，李東亮.聚偏氟乙烯膜的改性研究進展[J].化學(xué)研究，2007，18（1）：103107.

[3]蘆艷，趙國發(fā)，張廣洲，等.相轉(zhuǎn)化法制備PVDF超濾膜及其親水化改性研究進展[J].塑料工業(yè)，2011，39（10）：1721.

作者簡介：朱軒慧（1991），女，遼寧鞍山人，碩士；唐玉蘭（1971），女，江蘇揚州人，博士后，教授，研究方向：高分子有機膜的制備及在水處理中的應(yīng)用。