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2.2膜污染
膜污染是膜过程中很重要且不可避免的现象。FO过程不需要外加驱动力,膜污染现象较轻,并且由于缺乏水力压力,FO膜表面的污染层不太紧密,可以采用简单的物理方法清洗,不需要使用化学清洗剂。膜污染对水通量影响较小,并且具有可逆性。研究者们对FO膜生物反应器运行情况进行研究后发现,水通量并没有因为膜污染而大量衰减,通过反洗可将水通量恢复到初试通量的90%左右。
增加膜两侧的流体剪切力可减轻FO膜污染问题。在膜两侧加入垫片,增加溶质传递,防止污染物在膜表面沉积,从而减缓水通量降低速率。还可通过增加膜两侧的错流速度、利用流量脉动、引入气泡等水动力学方法减轻污染物在膜表面的沉积。
到目前为止,大部分针对FO过程膜污染问题的研究都局限于单种或简单污染物的测试,仅有少部分采用真正污水进行研究。因此,未来还需要更深入地研究来了解FO膜的污染过程和机理。
2.3浓差极化现象
无论RO还是FO工艺,浓差极化(CP)都是常有的现象。FO工艺中,浓差极化现象包括2种类型:外浓差极化(ECP)现象和内浓差极化(ICP)现象。
ECP现象又分为浓缩的ECP和稀释的ECP。压力驱动型膜工艺中只会出现浓缩的ECP,而FO工艺中还存在稀释的ECP,这取决于膜的放置方向。图1展示的是对称性致密FO膜的ECP现象(cb、cp、cm分别为主体溶液、汲取液侧膜表面溶质、原料液侧膜表面溶质的浓度,Jw为水通量)。
水在透过FO膜的过程中,溶质在原料液侧的膜表面聚集,从而产生浓缩的ECP现象,这一现象与压力驱动型膜工艺中的浓差极化现象相似;而汲取液一侧的溶质被渗透过来的水不断稀释,产生稀释的ECP现象。研究表明,ECP现象可通过增大流速以及增大膜表面湍流或者控制水通量来缓解。
ICP现象是发生在渗透压力驱动膜上的特有现象,通常发生在膜的多孔支撑层内部,它的存在会大幅度降低膜两侧的渗透压驱动力,从而极大地降低水通量。ICP可降低80%以上的水通量。
图2展示了非对称FO膜的2种ICP类型(浓缩的ICP和稀释的ICP)的基本原理(Δπeff为有效渗透压差,cF和cD分别为原料液、汲取液浓度,Js和分别为溶质反混通量和水通量)。
当膜活性层面向汲取液时,原料液的溶质分子在多孔支撑层中积累,在多孔支撑层和活性层内层形成一层极化层,造成浓缩的ICP;当膜活性层朝向原料液时,通过活性层的水稀释了多孔支撑层内的汲取液溶质分子,即为稀释的ICP。由于ICP现象发生在膜内部的多孔支撑层,因此通过改善外部水力状况对ICP的影响甚微,减小多孔支撑层内部的溶质扩散阻力是减少ICP的有效方法。
ICP问题已成为制约FO技术发展的最主要问题之一,也是渗透压力驱动型膜领域的研究热点。
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