各种膜的污染形成机理及其控制方法

Posted 2023-01-12 生物

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各种膜的污染形成机理及其控制方法
膜的污染问题大体可分为沉淀污染、吸附污染、生物污染。对各自形成的机理或原因进行了分析，并且提出了相应的控制方法。
膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象。
实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。据调查，就超滤而言，污染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽。对膜污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除它的不良影响。
1 沉淀污染
以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)和微滤(MF)。根据不同膜与水中微粒的相互关系，可知沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。
当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。
设在溶液中有化学反应：xAy-+yBx+=AxBy
当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积Ksp=γxA[Ay-]xγyB[Bx+]y为常数。其中，γA、γB为自由离子A和B的平均活度系数；[A]，[B]为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。平均活度系数可用离子强度的函数来估测：
logγA=-0.509ZAI1/2，
logγB=0.509ZBI1/2；
ZA、ZB为自由离子的化合价。对稀溶液，如大多数天然水体，其活度系数γA、γB近似等于1。
如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为Cf，Cr，Cp。由阻截率知：
R=1-Cp/Cf
(1)
设系统回收率为r，由物料平衡，知：
Cf-(1-r)Cr=rCp
(2)
由式
(1)，
(2)可得：
Cr=Cf[1-r(1-R)]/(1-r)
(3)
由
(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度Cr，随进水浓度Cf，回收率r和截留率R的增加而增加。此时，被截留的浓缩液溶度积Kspr=γAx[Ay-]xrγBy[Bx+]ry。当浓缩液溶度积Kspr与溶液溶度积Ksp的比值大于1时，就存在着盐析出的可能性。
实际上，方程
(3)低估了促进沉淀生成和结垢的盐浓度，因为其推导中未考虑浓度极化。鉴于这个原因，引入浓度极化因子PF(边界层与溶液中浓度之比值，大于1)，PF值通常可用回收率r的指数函数的形式来估计，
PF=exp(K×r)
(4)
其中K为半经验常数，对于商业应用的RO膜组件，取值为0.6～0.9，结垢在RO装置的最后几个单元中(即在浓度最高的地方)最先形成。
避免沉淀污染的方法主要是减少离子积中阳离子或阴离子的浓度。例如，添加酸可减少氢氧化物和碳酸盐的浓度，使金属离子沉淀难以生成。原水可通过石灰软化沉淀或离子交换等预处理方法去除易结垢的金属离子(如Ca2+、Mg2+等)。还可以加入阻垢剂，例如磷酸六甲基，以阻碍沉淀生成。
2 吸附污染
有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这是难以恢复的。腐殖酸和其他天然有机物(NOM)即使在较低浓度下，对渗透率的影响也大大超过了粘土或其它无机胶粒。
与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功能团和构型。带负电荷功能团的有机聚合电解质(如腐殖酸和富里酸)会与带有负电荷的膜表面之间存在静电斥力。用在水和废水处理中的聚砜、醋酸纤维树脂、陶瓷和薄表层复合膜表面都带有一定程度的负电荷。一般来讲，膜表面电荷密度越大，膜的亲水性就越强。而疏水作用可增加NOM在膜上的积累，导致更严重的吸附污染。
根据化学组成，可识别造成膜污染的NOM中的特定组分。利用热解气相色谱(GC)/质谱(MS)分馏技术，识别出多糖和多羟基芳香族化合物是地表水和岩溶地下水中的两种主要组分。试验证明，多羟基芳香族化合物比多糖吸附污染严重得多。
NOM除对膜的直接吸附污染外，对胶体在膜上的粘附沉积也起着重要作用。对沉积层中天然水体出现的有机污染物种类和它们的相对浓度分析表明，聚酚醛化合物，蛋白质和多糖与胶体粘附在一起沉积到膜上，并且在膜表面形成凝胶层。因此，吸附污染和水中有机物形成凝胶层的稳定性影响了纯水力清洗的效率。纯水力清洗的方法有反冲洗，快速脉冲或横向流反向冲洗。用作膜化学清洗的试剂必须能有效溶解凝胶层中的有机化合物。因此，用作膜的化学清洗的溶液通常由苛性物质和酶剂组成。
3 生物污染
生物污染是指微生物在膜-水界面上积累，从而影响系统性能的现象。膜组件内部潮湿阴暗，是一个微生物生长的理想环境，所以一旦原水的生物活性水平较高，则极易发生膜的生物污染。膜的生物污染分两个阶段：粘附和生长。在溶液中没有投入生物杀虫剂或投入量不足时，粘附细胞会在进水营养物质的供养下成长繁殖，形成生物膜。在一级生物膜上的二次粘附或卷吸进一步发展了生物膜。老化的生物膜细菌主要分解成蛋白质、核酸、多糖酯和其它大分子物质，这些物质强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种类的微生物。微生物的一个重要特征是它们具有对变化营养、水动力或其它条件作出迅速生化和基因调节的能力。因此，生物污染问题比非活性的胶体污染或矿物质结垢更为严重。
细菌，真菌和其它微生物组成的生物膜，可直接(通过酶作用)或间接(通过局部pH或还原电势作用)降解膜聚合物或其它RO单元组件，结果造成膜寿命缩短，膜结构完整性被破坏，甚至造成重大系统故障。
可同化性有机碳(AOC)被认为是生物膜的生长潜势。因此，AOC指标可以表征生物膜形成的可能性及其程度。研究证实，细菌对不同聚合物粘附速率大不相同。如聚酰胺膜比醋酸纤维素膜更易受细菌污染。所以，生物亲和性被降低和易清洗的聚合物为材质的分离膜，会阻碍生物膜的生长。为了发展膜的生物污染防治技术，研究者必须首先理解分离膜聚合物的表面分子结构和粘附生物细胞与膜作用的机理。为了更好控制膜的生物污染所必需的基础研究包括以下六个方面。
(1)了解生物膜中的微生物菌落，以识别出合适的有机体用于试验模拟和粘附生物测定。非生长基的分子基因测定是值得推荐的方法，例如核蛋白体RNA基因片段分析，基因试样生物检定，荧光现场杂化作用等。
(2)粘附过程必须在分子和原子一级的水平上研究，以更好地理解细胞粘附时物化作用力的影响。
(3)被改性的膜对细菌粘附和初期生物膜形成的影响需进一步研究。总衰减反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)测定有助于分析问题。
(4)在生物污染过程中，细菌外聚合物(如藻朊酸盐)与膜材料之间的作用尚未被充分认识到。理论上，分子模拟可以快速和低成本地预测膜生物污染。同时，可用模拟技术识别干扰细胞粘附的新的化学物质。
(5)生物膜本身的结构完整性依靠细胞之间的分子力，该种作用力和细胞与相邻的胞外聚合物(EPS)之间的相互作用有关。到目前为止，生物膜中细胞之间作用力的大小和本质还不清楚。分子模拟技术与适当的试验方法(如X光衍射)结合有助于分析问题。
(6)目前尚缺乏对生物膜生理生态性的了解。有研究指出溴化呋喃(来自海底藻类)可阻碍细菌的粘附，削弱生物膜母体溶液的污染影响。
生物污染可通过对进水进行连续或间歇的消毒来控制。但必须考虑该消毒剂对膜的降解性。研究表明，一氯化胺是一种优于氯消毒的生物膜消毒剂，可大大减少微量有机氧化物，抑制细菌生长。废水中连续投入3～5mg/L一氯化胺可抑制生物膜生长(对膜无氧化损害)，延长运行周期。
另外，在膜的脱盐系统中，低浓度(0.5～1.0mg/L)硫酸铜的添加可抑制藻类生长。一些表面活性剂和其它化学试剂可干扰细菌在膜聚合物上的粘附。另外，可通过物理手段：如加强横向流速，增加气体反冲，来阻止微生物的粘附。
4 结束语
上述的三种污染即沉淀污染、吸附污染、生物污染，有时会同时发生，而且发生一种污染又可能加速另一种污染。进行膜处理时，应对原水组分进行分析，识别造成膜污染的主要原因，以便更好地消除影响，延长膜的使用寿命。