超滤设备膜污染的控制和清洗技术

1. 膜污染的概念

  膜污染是指被处理物料中的微粒、胶体粒子和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膜表面或膜孔内吸附、堵塞使膜产生透过通量与分离特性的不可逆变化的现象。包括膜的孔道被大分子溶质堵塞引起膜过滤阻力增加；溶质在孔内壁吸附；膜面形成凝胶层增加传质阻力。组分在膜孔中沉积将造成膜孔减小甚至堵塞，实际上减小了膜的有效面积。组分在膜表面沉积形成的污染层所产生的额外阻力可能远大于膜本身的阻力，而使渗透流率与膜本身的渗透性无关。膜污染程度同膜材料、保留液中溶剂以及大分子溶质的浓度、性质、溶液的 pH 值、离子强度、电荷组成、温度和操作压力等有关， 污染严重时能使膜通量下降80%以上。

2. 膜污染机理

  膜污染过程一般可分为三个阶段：第一阶段，超滤开始时，大分子溶质在溶剂不断透过膜的过程中被带至并吸附在膜的表面，使膜面的溶质浓度高于主体溶液的浓度形成浓差极化层，浓差极化层所引起的传质阻力较小，对膜的选择性和过滤影响不明显。第二阶段，随着溶质分子不断在膜表面吸附积累，边界层的浓度不断增加，当其浓度达到饱和浓度时形成凝胶层。这层污染层形成后，压力增加厚度增加，所增加的压力与增厚的凝胶层阻力相抵消，以致透水通量不再增加。第三阶段，小于膜孔径的溶质分子在孔道内吸附形成搭桥式堵塞，同时略大于孔径的溶质分子在压力作用下进入膜孔内形成堵塞，由此造成膜的孔隙率逐渐下降，超滤膜分离特性严重被破坏。

3. 控制膜过程污染的有效方法

  当膜污染严重时，超滤过程将无法正常进行，必须对污染膜进行清洗，以确保超滤过程的正常运行。但频繁的清洗将耗费大量的时间，影响正常操作。因此，预防和控制超滤过程的膜污染，将为膜技术的应用提供更广阔的空间。

3.1 选择合适的抗污染膜材

污染物在膜上的吸附是由于膜、溶剂、污染物之间相互作用的结果，当然还与膜表面性质和膜孔径等因素有关。针对污染物的性质，选择合适的耐污染膜材，可以有效地减少膜对污染物的吸附。研究表明，对蛋白质溶液的分离，膜的亲水性越好蛋白质对膜的污染越小；而对 O/W 型乳化液的处理，亲水膜较疏水膜抗污染。

3.2 选择适宜孔径的膜

  对膜孔径的选择，应根据所处理物系的特点及所要达到的截留率来确定。对较大孔径的膜，尽管其初始通量较大，但通量衰减较快，易受到膜污染。因此对膜孔径的选择应比要求截留的分子质量要小，这样能获得较好的处理效果，还可减少溶质在膜孔上的吸附和堵塞所造成的污染。但孔径越小，流体阻力越大，通量越小。因此实际操作过程中，还要综合考虑两者的关系，以选择合适的膜材和孔径。

4. 对原料液进行预处理

  预处理是指在原料液过滤前向其中加入适当的药剂，以改变料液或溶质的性质，或对其进行絮凝、过滤，以去除一些较大的悬浮粒子或胶状物质，或者调整料液的PH值以去除给膜带来污染的物质，从而减轻膜过程的负荷和污染。采用预处理方法时，应根据料液的性质以及膜材的性质来选择处理方法。对含难溶盐的料液，可采用预沉、加化学阻垢剂或分散剂等方法；在高黏度料液的过滤中，加入适当的药剂以降低料液的黏度，改善其流动性能，提高过滤效果；对含悬浮微粒或胶状物的料液，可采用砂滤、微滤或加混凝剂、絮凝剂等方法； 对富含微生物的料液，可添加杀菌剂或先进行紫外线杀菌，以免微生物对膜的污染和侵蚀。

5. 设计抗污染的膜组件

  在膜组件设计中，设计合理的流道结构，使被截留物质及时被水带走，同时减小流道截面积，以增加流速， 使流体处于湍流状态。对平板膜，通常采用薄层流道；对管式膜组件，可设计成套管。此外，应注意减少设备结构中的死角，以防止污染物质的聚集。在膜器设计中，可结合所要采用的强化措施（如湍动器、旋转装置的设计、外加场的引入等）来对整个膜组件进行优化。

6. 强化过滤操作

1）改善膜面的流体力学条件

  提高料液流速或使用湍流促进器或脉冲流技术等，可以改善膜面料液的水力学条件，减小膜面流体边界层厚度，降低浓差极化，延缓凝胶层的形成，减小膜污染。

2）气液两相流技术

  为了强化膜过滤过程中的界面传质效果，可以在料液中通入气体。研究表明，在中空纤维超滤膜中喷射空气，可以防止料液中悬浮粒子的沉积，稳定过滤操作，提高过滤效率。

3）场强化

  过滤外加场包括电场、超声波等。外加电场或超声对某些料液的超滤能起到强化作用，可有效控制膜污染。

4）其他操作条件的选择

  选择适当的溶液的温度、PH 值、流速及操作压力等可减少膜污染，强化超滤过程。适当提高原料液温度， 可以减小溶液黏度，增大扩散系数，提高过滤通量。

7. 膜清洗技术

  当前期的预防与控制仍不能有效阻止膜污染时，超滤进行到一定时间，膜的通量就会下降。为了使超滤过程得以正常进行，必须及时对滤膜进行清洗，以去除污染物，恢复膜的性能。

7.1 物理方法

  1）反冲洗，

  2）静置浸泡加水力反冲洗，

  3）采用水和空气混合流体，

  4）等压冲洗，

  5）负压清洗，

  6）去除污染物，

  7）蒸汽清洗可用于无机膜和聚砜膜组件，

  8）机械清洗。

7.2 化学方法

  当物理方法清洗不能使能通量恢复时，常结合化学药剂清洗。常用的清洗方法有酸碱清洗法，表面活性剂法，氧化剂法，酶制剂法。

8. 结论

  超滤技术具有传统分离操作无可比拟的优越性，但由于超滤膜价格较高，操作使用不当，会造成严重的膜污染，使其有效寿命变短，提高了分离浓缩过程中的成本，很大程度上阻碍了它在实际工程中的应用，为此开发一些新型的切实可行的膜污染控制技术，将给膜技术的应用提供广阔的发展空间。为了强化超滤过程，控制膜污染，还需要在以下方面做进一步开发和研究：开发出高性能新型膜材或对其进行改性，制备出性能优良的耐污染膜；开发能耗少、寿命长、防污染的膜组件；进一步开发新型实用的强化超滤技术；开发高效的在线清洗技术和经济便利的离线清洗技术；对膜过程工艺条件进行优化控制，降低膜分离过程的成本。

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