什么是膜污染
反渗透膜分离技术实际应用中,不可避免产生膜污染现象,且膜污染问题是影响该技术稳定性的决定因素,因此考察膜污染形成机理、对膜污染进行清洗是反渗透系统正常运行、防止其发生故障的重要保证。
1、膜污染定义
膜污染是指与膜接触的料液中微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜发生物理、化学相互作用或因浓差极化使某些溶质在膜表面的浓度超过其溶解度及因机械作用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、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不可逆变化现象。
污染物尤其是蛋白质等大分子在膜表面和膜孔内的吸附所引起的通量衰减及分离能力的降低,是造成膜通量衰减的主要原因。但膜污染引起的通量衰减又往往和浓差极化现象引起的可逆通量下降混合在一起,使得膜分离效果进一步降低。
2、膜污染产生原因
反渗透系统在运行过程中,废(污)水中的金属离子、微生物、不易溶解的沉淀、有机污染物、生物粘泥、胶体、油脂等长时间与膜接触,会引起膜污染,使膜的通量及分离性能明显降低、压降升高。其原因主要包括以下几方面:
1）浓差极化
在反渗透脱盐系统中,膜的选择透过性,使水分子不断从高压侧透过膜,而溶质分子仍残留于原溶液中导致膜表面上的料液和进口料液之间产生一个浓度差,严重时会产生很高的浓度梯度,这种现象称为浓差极化。浓差极化使料液渗透压增大,有效推动力减小造成透水速度和脱盐率下降。
2）离子结垢
CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2及SiO2等溶度积较小的盐类,在反渗透过程中可能会因浓缩超过其溶度积而析出,产生沉积物停留在膜表面上及进水通道内形成水垢。例如:CaCO3的溶度积是8.7×10-9(25℃)即[Ca2+]•[CO32-]大于8.7×10-9时,CaCO3就会沉淀下来。J.H.Bruus等发现,当从污泥中提取Ca2+后,导致小颗粒数量及过滤阻力增加。
3）金属氧化物沉积
一般含有低价铁离子和锰离子苦咸水范围的某些井水水源具有一定还原性,此类水源造成膜污堵的主要原因就是铁、铝、锰等在膜表面产生胶体颗粒污堵。铁发生氧化所需的pH值较低,使得反渗透系统发生铁污堵现象较频繁。引起膜面上沉积可溶性二价铁和三价铁的相关污染物可能情况为:氧气进入到含二价铁的进水中;高碱度水源形成FeCO3;铁与硅反应形成难溶性的硅酸铁;受铁还原菌氧化作用影响,将会加剧生物膜滋生和铁垢的沉积;由含铁絮凝剂转变引起的胶体状铁;铁、铝、锰等产生金属污染后的特征表现为产水量降低,压差上升。
4）生物污泥的生成
当膜表面覆盖生命力旺盛的微生物污泥时,膜所除去的盐类将陷于黏层中,不易被水冲走,为微生物繁殖提供了丰富的营养物质,同时反渗透进水前预处理时加入的阻垢剂(如聚马来酸,氨基三甲基磷酸等)、软水剂等又能促进微生物生长。有机与无机的溶解性物质以及颗粒物,可以通过有效的预处理被去除,但可繁殖的微生物颗粒,经预处理后即使剩余0.01%,还能利用水中可生物降解的物质进行自身繁殖,这也是生物污泥在任何系统中都会造成污染的主要原因之一。
5）胶体物污染
地下水及地表水均含有铁、铝、硅、有机质等物质,它们和预处理时加入的混凝剂、助凝剂、阻垢剂等形成胶体沉积在膜表面造成胶体污染。硅酸胶体在水中会
水解生成Si(OH)4,并在一定条件下发生聚合反应:mSi(OH)4-(SiO2)m+2mH2O生成SiO2胶核,并分级电离,放出H+形成呈负电性的胶体,其结构式为:
[m(SiO2).nSiO3-2.2(n-x)H+]-2x2xH+
胶体物污染难处理是由于带有同种电荷,比较稳定,不易沉降,易污染膜,导致水通量下降。一般这种趋向用污染指数(SDI)进行评价。通常当SDI<3时,膜表面不产生此类污;当SDI>3时,会发生污堵。
6）“水锤”现象
对于反渗透系统,由于设计不恰当及在开始调试阶段,装填膜的膜壳内有大量的空气,当待处理液瞬间进入膜壳时,由于空气具有可压缩性,且瞬间不可能完全排尽,当空气在膜壳内达到一定压力时,会突然爆破释放,引起反渗透在膜壳内相互撞击、挤压以及窜动,产生“水锤”现象。在反渗透系统中,水锤的危害在于造成无法恢复的反渗透膜元件损伤。
7）悬浮颗粒物的污染
当保安过滤器有“短路”或缺陷造成过滤介质、腐蚀碎片及异物(如小芯绒线)等的泄漏或反渗透初次投用冲洗不彻底时,可能使膜元件受到污染,使进水通道堵塞和膜面上形成非晶体沉淀。这种情况较少遇到。
8）其他因素造成的污染
碳氢化合物和硅酮基的油及脂能覆盖于膜表面,致使膜受到污染;膜的水解、有机溶剂及氧化性物质侵蚀等也会造成膜材料的本质改变。
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