化學清洗對中空纖維超濾膜性能影響研究

劉露露，馮 磊

(天津膜天膜科技股份有限公司膜材料與膜應用國家重點實驗室 天津300457)

0 引言

膜污染主要分為有機污染、無機污染、微粒沉積(膠體)和生物堆積，主要的形成機制包括膜表面微孔吸附污染物導致堵塞；溶質和膜材料間相互的化學作用形成凝膠物質；細菌增殖等[1-2]。膜污染現象在膜產品使用過程中是不可避免的，膜清洗在膜日常應用過程中是不可或缺的環節，主要包括物理清洗和化學清洗[3]。物理清洗是指通過曝氣或反沖洗去除膜污染，但不能完全去除不可逆污染，當污染程度加劇，單純的物理清洗不能將通量恢復至可接受的程度時，需要使用化學清洗劑去除污染以恢復通量，即化學清洗。化學清洗通常包括化學增強反洗、維護性清洗和恢復性清洗，是目前實際應用中控制不可逆膜污染最有效的方法[4]。但是，化學清洗劑與污染物發生化學反應的同時也可能會與膜材料本身發生化學反應，使膜材料受到損傷，膜特性發生變化，從而影響膜的使用性能和使用壽命[5-6]。

本文選用常用市售主流PVDF中空纖維膜組件，通過模擬化學清洗環境，研究化學清洗對膜性能，包括斷裂拉伸強力、純水通量、截留率、泡點壓力、爆破強度等指標的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

市售主流PVDF中空纖維膜；濃鹽酸(HCl)，分析純；氫氧化鈉(NaOH)，分析純；次氯酸鈉溶液(NaClO)，分析純。

1.2 實驗方法

①配制pH＝(1.0±0.1)的鹽酸、pH＝(13.0±0.1)的氫氧化鈉、游離氯濃度為(5000±100)mg/L的次氯酸鈉溶液分別作為評價中空纖維膜酸性、耐堿性和耐氧化性化學清洗劑腐蝕性能的實驗試劑。

②根據需求將實驗用膜裁剪成所需長度，分別選取一定數量膜絲浸泡于純水、pH＝(1.0±0.1)的鹽酸、pH＝(13.0±0.1)的氫氧化鈉、游離氯濃度為(5000±100)mg/L的次氯酸鈉溶液中24h，分別選取一定數量完整膜絲測定其斷裂拉伸強力、純水通量、截留率、泡點壓力、爆破強度等指標。

1.3 實驗數據處理

1.3.1 斷裂拉伸強力變化率

斷裂拉伸強力變化率ΔL，按式(1)計算：

1.3.2 純水通量變化率

純水通量變化率ΔF，按式(2)計算：

1.3.3 截留率變化率

截留變化率ΔR，按式(3)計算：

1.3.4 泡點壓力變化率

泡點壓力變化率ΔP，按式(4)計算：

1.3.5 爆破強度變化率

爆破強度變化率ΔB，按式(5)計算：

2 結果與討論

2.1 酸洗條件下膜性能變化分析

圖1 酸洗條件下純水通量變化率 Fig.1 Change rate of pure water flux under acid cleaning condition

圖2 酸洗條件下斷裂拉伸強力及爆破強度變化率 Fig.2 Change rate of tensile and bursting strengths under acid cleaning condition

圖3 酸洗條件下截留率及泡點壓力變化率 Fig.3 Change rate of retention rate and bubble point pressure under acid cleaning condition

圖1～3分別描述了在酸性清洗條件下膜產品滲透性能、力學性能及過濾性能的變化，由數據分析可得：純水通量變化率變化范圍為0.6%～47.6%，平均 為12.7%；斷裂拉伸強力變化率變化范圍為0.05%～19.0%，平均為4.8%；爆破強度變化率變化范圍為13%～31.5%，平均為12.0%；截留率變化率變化范圍為0.3%～16.8%，平均為5.4%；泡點壓力變化率變化范圍為0.7%～35.6%，平均為13.4%。由平均數據分析可知，酸洗條件會對膜產品本身性能產生一定的 影響。

2.2 堿洗條件下膜性能變化分析

圖4～6分別描述了在堿性清洗條件下膜產品滲透性能、力學性能及過濾性能的變化，由數據分析可得：純水通量變化率變化范圍為4.9%～66.5%，平均為21.2%；斷裂拉伸強力變化率變化范圍為0.05%～78.5%，平均為22.6%；爆破強度變化率變化范圍為 2.9%～47.6%，平均為19.8%；截留率變化率變化范圍為3.6%～21.3%，平均為9.9%；泡點壓力變化率變化范圍為1.0%～42.4%，平均為19.5%。由平均數據分析可知，堿洗條件也會對膜產品本身性能產生一定的影響。

圖4 堿洗條件下純水通量變化率 Fig.4 Change rate of pure water flux under alkaline cleaning condition

圖5 堿洗條件下斷裂拉伸強力及爆破強度變化率 Fig.5 Change rate of tensile and bursting strengths under alkaline cleaning condition

圖6 堿洗條件下截留率及泡點壓力變化率 Fig.6 Change rate of retention rate and bubble point pressure under alkaline cleaning condition

2.3 氧化性清洗條件下膜性能變化分析

圖7 氧化性清洗條件下純水通量變化率 Fig.7 Change rate of pure water flux under oxidizing cleaning condition

圖8 氧化性清洗條件下斷裂拉伸強力及爆破強度變化率 Fig.8 Change rate of tensile and bursting strengths under oxidizing cleaning condition

圖9 氧化性清洗條件下截留率及泡點壓力變化率 Fig.9 Change rate of retention rate and bubble point pressure under oxidizing cleaning condition

圖7～9分別描述了在氧化性清洗條件下膜產品滲透性能、力學性能及過濾性能的變化，由數據分析可得：純水通量變化率變化范圍為0.2%～78.2%，平均為28.1%；斷裂拉伸強力變化率變化范圍為0.6%～17.3%，平均為7.1%；爆破強度變化率變化范圍為1.7%～41.1%，平均為14.2%；截留率變化率變化范圍為2.1%～21.3%，平均為12.2%；泡點壓力 變化率變化范圍為3.3%～42.9%，平均為15.5%。由平均數據分析可知，氧化性清洗條件同樣會對膜產品本身性能產生一定的影響。

3 結論

通過實驗可以得出，膜產品經過酸性、堿性、氧化性3種化學清洗劑進行清洗后，對應力學性能(斷裂拉伸強力變化率、爆破強度變化率)的平均值分別為：4.8%、12%；22.6%、19.8%；7.1%、14.2%。滲透性能(純水通量變化率)的平均值分別為：12.7%、21.2%、28.1%。過濾性能(截留率變化率、泡點壓力變化率)的平均值分別為：5.4%、13.4%；9.9%、19.5%；12.2%、15.5%。上述結果表明，3種化學清洗方式均對膜產品本身性能產生一定的影響，但相對膜污染降低膜產品使用價值而言，化學清洗更能有效提高膜產品的利用率，存在意義更為重要。