正渗透膜污染影响因素的研究与分析

2.3.2Ca2+的影响及其结垢速率

Ca2+作为二价阳离子，广泛存在于天然水和废水中。因此，探究Ca2+对膜污染的影响有很大的实际应用价值。图10和图11分别代表FS中不同Ca2+浓度下的归一化通量及膜污染阻力。图10显示，在FS存在Ca2+的条件下相较于无Ca2+存在的条件下，水通量下降速度较快。

随着Ca2+浓度增加，水通量下降更快。当FS含Ca2+时，通量快速下降，可归因于在膜表面上形成的海藻酸钙凝胶[11,27]，钙离子与海藻酸钠中的羧酸根官能团复合，在膜表面上形成凝胶层，导致大规模污染。

无Ca2+存在的基础实验表明，由于浓差极化所导致的水通量下降13.88%。无Ca2+存在的污染实验，水通量下降15.40%。FS含1mol/LCa2+时，水通量降低18.49%;当FS溶液含2mmol/LCa2+时，水通量下降24.93%。当加入1mmol/LCa2+时，相对于不加Ca2+的污染实验，水通量降低不明显，由于膜的平滑结构减轻了结垢的程度[27]。

而当Ca2+为高浓度时，水通量降低明显。结果表明，钙-有机污染物相互作用抑制膜平滑结构层的抗污能力，使膜结垢程度加重。此外，图11显示，当FS不含Ca2+和分别含1mmol/L和2mmol/L时，污染阻力分别为3.45×1010m–1、4.65×1010m–1和7.46×1010m–1。

含2mmol/LCa2+的原料液膜污染阻力达到含1mmol/LCa2+的原料液膜污染阻力的1.6倍，说明当钙离子浓度增大时，污染程度会增大。当实际FO应用过程中，海藻酸钠等多糖类存在时，钙离子浓度达到(80mg/L)以上时，主体溶液要考虑到Ca2+的存在对膜污染引起重视，建议将原料液的Ca2+进行适当处理，以达到预防污染的目的。

2.4正渗透膜的化学清洗方案

为恢复膜性能，本实验系统地研究了正渗透膜的化学清洗方案。十二烷基硫酸钠(SDS)作为阴离子表面活性剂，具有亲水基团和疏水基团，当其浓度超过其临界胶束浓度(CMC，8.36mmol/L)时，其可以形成胶束，SDS浓度高于其CMC是高效清洁的关键因素[10,28]，而SDS溶液的pH对SDS清洗效率几乎没有影响。

因此，本实验取SDS浓度为2.88g/L(pH=11.0)。对于NaOH溶液，增加溶液pH通常可以提高其清洗效率。本实验TFC-FO膜具有3～12的有限容许pH范围。因此，在本研究中选择pH为11.8的NaOH溶液和pH为3.0的HCl溶液用于清洗。

图12和图13分别代表不同清洗方案下的水通量和膜的恢复率。两图均显示，污染实验相较于基础实验水通量快速下降，并且下降达25.31%。当用去离子水清洗时，得到的膜水通量恢复率达77.68%，仅仅比污染时水通量提高2.48%。

用pH为11.8的NaOH溶液清洗被污染的膜，膜水通量恢复率达84.27%。当用pH为3.0的HCl溶液清洗时，膜水通量恢复率达88.43%。与前3种清洗剂相比，用10mmol/LSDS溶液清洗污染膜，对于恢复膜性能更有效，SDS清洗后膜恢复率高达90.70%。

相关研究表明，污垢在TFC膜活性表面上具有比CTA膜更大黏附性[29]。由于海藻酸盐的柔韧凝胶特性，海藻酸盐凝胶可能更倾向于适应TFC膜表面的形态，从而增加与TFC膜的接触面积。

由于SDS溶液可通过在其周围形成胶束或通过疏水尾部(十二烷基)吸收有机物来将大分子溶解在溶液中，此外，SDS还可以降低污染物的分子间黏附力[30]，从而促进从膜表面除去污垢。当用pH为3.0的HCl清洗膜时，海藻酸钠可以与酸结合成为大分子不溶于水的海藻酸，从膜表面脱落，从而达到清洗的效果。

而pH为11.8的NaOH溶液易增大膜表面的孔径，使得通过膜的水通量增大，实现清洗目的。以去离子水、HCl溶液、NaOH溶液和SDS清洗后的反向盐通量分别为：8.82g/L、8.97g/L、9.09g/L和9.03g/L，发现清洗后膜的反向盐通量指标变化并不明显。HCl溶液与NaOH溶液清洗机理不同，针对不同染污物的污染，合理选择酸碱清洗溶液。本实

验结果表明，SDS洗涤是比较有效的方式。

3结论

本研究中，以海藻酸钠为模型有机污染物，对FO膜污染的各个影响因素进行了研究，并且探究了适宜的膜清洗方案。根据分析，得出以下结论。

(1)PRO模式比FO模式污染程度更严重。这主要归因于聚酰胺膜支撑层的多孔层形态，其表面粗糙易吸附，并且污染层增大导致ICP增强。

(2)当含有海藻酸钠的FS中Ca2+浓度增大时，由于Ca2+与海藻酸钠形成凝胶层，导致膜污染程度增大;当原料液的pH增大时，海藻酸钠带负电与带正电的膜活性层相互吸引，导致膜污染程度越大。

(3)当FS溶液浓度增大时，会改变溶液的极性作用力，并且海藻酸钠黏度增大，导致FO膜污染越严重。

采用SDS溶液是清洗海藻酸钠污染膜的最佳方案，膜的水通量恢复率可以达到90.70%。

延伸阅读：

基于正渗透的水处理组合工艺应用研究进展

正渗透膜污染特征及抗污染正渗透膜研究进展

正渗透技术在污水处理中的应用