多孔膜的污染及其控制方法
摘 要:針對膜污染這一制約膜工業化應用的重要因素 ,從膜材料特性和分離液構成對膜污染的影響、膜污染機理及模型、膜污染的防治策略等幾個方面 ,介紹了近幾年來國內外學者對超濾、微濾膜污染問題的一些研究結果;并對減少或防止膜污染的方法進行歸納 ,具體評價了原料液預處理、膜表面改性、操作條件優化及化學清洗對減輕多孔膜污染的效果。
關鍵詞:多孔膜;膜污染;膜清洗
多孔膜包括微濾膜和超濾膜 ,一般認為兩者的分離機理均為篩孔分離過程.微濾和超濾技術是膜分離技術中研究較早、也較為成熟的兩種技術.然而在其使用過程中 ,由于濃差極化和膜污染等問題的存在 ,嚴重阻礙了多孔膜技術更大規模的工業應用.人們試圖通過一些經濟有效的方法來減輕膜污染 ,提高滲透通量.“抗污染”已成為膜研究領域的重要課題.國內外很多學者就此問題在很多方面進行了探討和研究 ,本文將對國內外多孔膜的污染及其控制研究進展的現狀進行綜述。
1 分離膜材料特性與膜污染
1. 1 膜表面與膜孔結構
多孔膜的物理性能包括表面粗糙度、孔徑分布、形態及孔隙率等.膜面光滑不易被污染 ,孔徑分布窄也不易被污染.Bromley 等人[1 ]實驗發現 ,相對于圓形多孔膜而言 ,一種狹長孔膜不易在膜孔上產生微粒架橋形成濾餅或第二層膜 ,使一些更小的微粒能夠通過膜孔而抗污效果明顯. Carroll 等人[2 ]認為 ,對于中空纖維膜而言 ,膜污染速率與膜長度、分離孔徑、膜厚度及從原液中被截留的物質都有關系。
1. 2 膜表面性能的影響
膜的表面性能 ,如親水性、疏水性、荷電性會影響到膜與溶質間相互作用力的大小及膜的污染程度.對于親疏水性 ,一般而言 ,膜的分離體系均為水相體系 ,親水性的膜表面與水形成氫鍵 ,使之處于有序結構 ,當疏水溶質要接近膜表面 ,必須打破這種有序結構 ,顯然不易進行 ,所以膜面不易被污染;而疏水膜表面上的水無氫鍵作用 ,疏水溶質接近膜表面是個增熵自發過程 ,所以膜易被污染[3 ].對于荷電性 ,有些膜材料帶有極性基團或可離解基團 ,與溶液接觸后 ,由于溶劑化作用或離解作用使膜表面荷電.它與溶液中荷電溶質產生相互作用 ,同性電荷排斥 ,膜表面不易污染;異性電荷吸引 ,膜面易吸附溶質而被污染. 如陰極電泳漆超濾(UF)系統中 ,由于陰極電泳漆的固體含量很高 ,且主要成分為水溶性的高分子乳液涂料和極細的膠體狀顏料 ,故膜極易污染.為提高膜的抗污染性 ,目前 ,陰極電泳漆UF系統采用荷正電膜 ,陽極電泳漆UF系統采用荷負電膜 ,以電荷排斥來防止電泳漆在膜面上聚集 ,從而達到了低操作壓力、高通量、長壽命和易清洗等各項目的[4 ]。
2 分離體系構成與膜污染
2. 1 溶液pH值影響
溶液pH值對蛋白質在水中的溶解性、荷電性及構象有很大影響.一般來講 ,蛋白質在等電點時 ,溶解度最低;偏離等電點時 ,溶解度增加并帶電荷. Claudia等人[5 ]在微濾重組細胞內去角質酶時發現 ,電解質溶液隨pH變化達到穩態流的流量變化極大 ,污染情況也隨之變化.因為在電子顯微鏡下并未觀察到膜結構變化 ,作者認為這和電流粘滯效應及鹽截流有關. 同時 ,溶液 pH值也影響無機鹽對膜的污染.低 pH可使碳酸鹽在膜表面的沉淀轉為可溶性鹽 ,從而減輕污染程度。
2. 2 溶液中鹽濃度的影響
無機鹽對膜過濾過程有很大影響.溶解度極小的無機鹽及一些無機鹽復合物會在膜表面或膜孔內直接沉積 ,或使膜對蛋白質的吸附增強而發生污染;或是無機鹽改變離子濃度 ,影響到蛋白質溶解性、構象與懸浮形態 ,使形成的沉積層疏密程度改變 ,從而對膜的滲透性產生影響.由于多孔膜分離機理為篩孔分離 ,無機鹽同樣可通過改變水粘度、活度影響到膜滲透阻力. Ea2gles等人[6 ]模擬啤酒成分進行微濾時發現 ,隨著鈣離子濃度增加 ,含淀粉溶液滲透通量略有下降 ,而含干酪素溶液的滲透通量明顯增加 ,其中乙醇、麥芽糖的截留率則顯著下降.由于鈣離子濃度增加導致離子強度增加 ,這可能會電屏蔽淀粉分子使它們壓縮更緊密.含干酪素的溶液在低濃度鈣下很容易產生沉淀 ,形成更疏松的沉積層導致通量增加.但是干酪素因沉積而無法對乙醇、麥芽糖形成吸附 ,所以造成它們的截留率下降.Malgorzata等人[3 ]在研究含腐殖酸和鈣鹽的溶液超濾時認為 ,鈣濃度增大 ,離子濃度增加 ,使腐殖酸產生一種“收縮” ,和金屬離子生成的絡合體會阻塞膜孔。
2. 3 原液中膠體物質穩定性的影響
Yiantsios 等人[7 ]經實驗發現 ,原液中膠體穩定性越大 ,膜越不易被污染 ,采用反沖可使通量很容易地恢復.隨著膠體穩定性降低 ,會在膜表面吸附形成較厚的沉積層 ,使污染加劇且不易清洗。
2. 4 溶液溫度的影響
溫度對膜污染影響的機理目前尚不是很清楚 ,根據一般規律 ,溶液溫度升高 ,其粘度下降 ,透水率應能提高[8 ].但對某些蛋白質溶液 ,溫度升高 ,其透水率下降 ,這是由于溫度較高時某些蛋白質的溶解性下降的緣故。
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