廢棄反滲透膜的綜合利用研究進展

王豐愷，葉 卉，張玉忠，趙莉芝，辛清萍，李 泓

(天津工業大學 材料科學與工程學院 省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室，天津 300387)

反滲透(RO)膜是由模擬生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜，是反滲透技術的核心部件。由于其分離性能好、厚度薄、耐壓高等優勢，已廣泛應用于海水淡化、脫鹽、廢水處理與濃縮分離等領域，同時在電力、食品飲料、制藥、化學、石油等行業中得到大量應用，創造了巨大的社會經濟效益。據統計，每年4英寸和8英寸的RO膜元件銷量約八十多萬支，其中卷式RO膜約占3/4[1]。然而，隨著反滲透市場不斷增多，每年約有數十萬支RO膜元件因性能下降而被棄用，產生了大量RO膜廢棄物，此舉不僅造成資源浪費，同時也對自然環境產生了破壞。因此，為促進反滲透技術的可持續性發展，對膜元件廢棄物進行再利用已成為國內外研究的新熱點。本文綜述了國內外有關廢棄RO膜的綜合利用的研究進展，包括分級循環利用、修復再生利用、系列膜轉化應用、膜材料轉化應用等方面。

1 分級循環利用

類似的，Lawler等[3]在反滲透裝置中，將性能下降的RO膜逐漸替換至高產率位置，當高截留率的RO膜插入壓力容器的上游位置時，同時移除容器末端性能降低的RO膜，從而實現RO膜的循環利用。

Madaenia等[4]為了降低反滲透工廠中的生物污染，對組件中RO膜分配進行設計，將不同污染程度的RO膜進行逐級替換，從而實現RO膜的循環利用，如圖1所示，該方案可有效降低滲透電導率和壓差，并延長膜的使用壽命。

圖1 反滲透裝置中RO膜逐級替換方案

2 修復再生利用

將廢棄的RO膜清洗后，經過一系列化學或物理方法處理，有望使RO膜的基本性能得以恢復，從而實現RO膜的修復再生。

辛永光[1]研究了一種反滲透膜元件的再生方法與裝置，對廢棄的RO膜元件進行修復，先將廢棄反滲透膜元件裝在反滲透裝置中,將藥液裝入后開啟相應的閥門使藥液在循環管路中流動,藥液經過濾器過濾后進入反滲透裝置對廢棄RO膜元件進行循環清洗處理，經純水沖洗后，再對其進行氧化劑的循環浸泡改性處理，最后對其用多元胺溶液循環涂覆處理。修復后的膜鹽截留性能高于納濾膜，脫鹽率介于納濾和反滲透之間，再生RO膜滲透性能基本得到恢復。

江海[5]將廢棄的RO膜經拆解清洗，膠帶纏繞，又經十二烷基苯磺酸(SDBS)、次氯酸鈉(NaClO)表面處理，得到再生膜。分別從產水量和脫鹽率等方面對再生RO膜進行了評價，結果表明，再生膜的產水量接近初始水平，脫鹽率高于60%，部分可高于85%，再生膜可應用于部分除鹽、反滲透預處理、物料分離或濃縮等領域，且目前已有工業應用案例。

Kogutid等[6]對三種不同孔結構的RO膜污染后立即使用一種專有配方的堿性清潔劑進行清洗，并對其性能和孔隙率的變化進行了研究，結果顯示原RO膜和清洗后的RO膜表面孔的數目和結構幾乎一致，證明立即化學清洗可使污染的RO膜得到再生效果。

Yu等[7]通過涂覆天然絲膠蛋白表面層，對聚酰胺復合RO膜進行了改性，并對改性前后膜的純水滲透系數和鹽滲透系數進行考察。此外，還采用牛血清白蛋白(BSA)為模擬物，對膜抗污染性能進行研究。結果表明，絲膠蛋白涂層能夠增加降解膜的脫鹽率至98.9%，并可增強其抗污染性能。

Xu等[8]通過絲膠蛋白溶液沉積，修復經過降解的聚酰胺復合RO膜，并對修復膜的滲透性能、耐污染性能以及耐氯性能進行了研究。結果表明，再生RO膜脫鹽率可以恢復到94.0%，膜表面沉積有絲膠蛋白分子后變得更光滑，更親水且帶負電荷，因此具有更強的BSA抗污染能力與耐氯性能。

3 系列膜轉化應用

納濾膜是介于RO膜和超濾膜之間的新型膜分離技術，如果對廢棄的RO膜表面分離層經特定處理后，可以將其轉換為具有納濾性能的膜元件。此外，RO膜主要由多孔支撐層與聚酰胺分離層組成，對其聚酰胺分離層進行氧化降解后，也可將RO膜支撐層轉化為超濾或微濾應用。

Ould等[9]對廢棄RO膜滲透率與截留性能進行了考察，結果表明廢棄膜水滲透通量(2.1±0.1 L h-1m-2bar-1)是原膜的(1.0±0.1 L h-1m-2bar-1)的兩倍，脫鹽率從高于90%降低到35%-50%之間。采用建模的方法對廢棄RO膜與NF膜傳質機理進行了比較，發現廢棄RO膜和NF膜傳質規律相同，因此表明該廢棄RO膜可作為納濾膜使用，可被用于海水預處理，微咸水脫鹽，海水療法中心等滲/高滲鹽溶液的制備，以及用于珊瑚生長研究的人工海水制備等方面。

Razdan等[10]將廢棄RO膜浸泡在多胺水溶液中，并加入葡萄糖酸銨鹽(2.0%)以提高RO膜的截留特性，并且使用烷基胺(例如丁胺，環己胺)提高具有聚酰胺識別層的復合反滲透的通量。然后摻入添加劑，使其溶質截留率發生變化，從而導致廢棄的RO膜轉化為納濾膜。

靖大為[11]以NaClO為氧化劑對廢棄RO膜進行氧化處理，并評價處理后膜元件脫鹽率、產水通量、污染指數以及截留率，表明再生膜性能接近納濾水平，可作為納濾膜使用。

連冠楠[12]采用NaClO溶液對廢棄的芳香族聚酰胺RO膜進行浸泡處理，對其表面聚酰胺分離層進行降解處理。氧化后RO膜表面微觀結構、化學組分以及截留率結果表明，廢棄RO膜經氧化處理后，可轉化為具有納濾性能的膜，在染料脫鹽和濃縮過程中有較好的穩定性和耐污染性。

Lawler等[13]探討采用多種降解溶液去除廢棄膜活性層，使其轉化為超濾膜的可行性，考察其滲透率與截留率，并與超濾膜做出比較。結果表明，采用NaClO降解的膜滲透率達175±4 L h-1m-2bar-1，截留率可達74%，證明廢棄的RO膜可以轉化為超濾膜使用。

Pontié等[14]將廢棄的RO膜在62,500 ppm的NaClO中氧化6 h轉化成一種新型超濾膜，經過測試可知處理后的膜滲透通量可達180 L h-1m-2bar-1，截留性能類似于10 kDa的超濾膜。

Veza等[15]將廢棄的海水RO膜通過高錳酸鉀溶液去除活化層，將其轉化為微濾膜。經過處理后的膜元件可用于反滲透前處理設備中，可顯著減少廢水中的懸浮物。隨后，采用活性污泥處理廠的二級廢水實際測試了膜性能，出水濁度平均可降低93.9%，懸浮固體總分離效率超過97%。

4 轉變為其他材料應用

高分子材料是由C和H組成的長鏈聚合物鏈，當受到控制的高溫反應時，它們可能轉化為碳材料和能源，可用于住宅和工業方面供熱以及發電[17]。

Prince等人[18]采用燃燒或熱解方法將廢棄的RO膜轉化為碳材料，采用管式爐對廢棄RO膜在氮氣下進行熱解，450 ℃條件下焚燒后，可得到碳材料質量占原RO膜元件的26wt%。這種碳材料可用為建筑用吸附劑和填充材料(磚)進行再應用。

此外，Pontié等[14]提出將廢舊的RO膜元件分解，提取其中的聚丙烯墊片重新用作土工布，鼠標墊，兒童繪畫的支撐，植物的保護罩以及家庭廚房中的芳香墻等方面。

Lawler等[3]提出對廢舊RO膜元件進行機械研磨將其用于混凝土的填充材料。通過統計，該方法已經回收再利用了95%的廢舊RO膜元件。

5 結語

近年來，隨著RO膜使用量的持續增加，廢棄膜數量也顯著增加，膜被污染后通常被作為廢棄物丟棄在垃圾填埋場中，雖然這些廢棄膜沒有毒害作用，但大大浪費了土地資源。為了提高環境和經濟效益，本文綜述了目前國內外針對廢棄RO膜元件的再利用相關的研究，為促進反滲透技術的可持續性發展提供了理論依據。