正渗透膜污染影响因素的研究与分析

膜污染阻力在PRO模式下从0快速上升到3.38×1011m–1，而在FO模式中观察到污染阻力从0缓慢上升仅至3.88×1010m–1，与PRO模式的膜污染阻力相差一个数量级，可以定性定量地显示出PRO模式比FO模式的膜污染程度更大。

由于正渗透膜两侧的结构不对称，一般支撑层的孔径大于活性层表面的孔径[18]，有机污染物可以进入并保留在松散支撑层的内部孔隙中，因此，在PRO模式中易发生内膜污染。与活性层的光滑表面相比，支持层的粗糙表面允许污垢分子容易附着，通过提供更多的表面积以使污垢分子附着[8,19-20]。

此外，增强的内部浓度极化(ICP)可能是造成PRO模式中膜污染的另一原因。当可溶性有机物在支撑层中浓缩时，进料溶液侧的浓缩ICP增强，增强的浓缩ICP降低了活性层上的渗透压差，并导致水通量下降。

MCGOVERN等[21]对影响FO膜取向的量纲为1参数的研究可知，为实现通量最大化，当选用高渗透压比的溶液对时，应采用PRO模式，而选用高扩散率的溶液对时，应采用FO模式，且处理含有较高有机污染物浓度的FS时，PRO模式的结垢电阻较高。因此，在保持水通量稳定且有机污染影响程度最低的前提下，应选择FO模式作为操作模式。

2.2不同进料浓度的影响

2.2.1原料液浓度的影响

图4和图5描述的是FS浓度对正渗透膜污染的影响。由图4所示，FS浓度从5mmol/L增加到200mmol/L，归一化通量从15.31%增大到21.26%，随FS浓度增大，水通量下降程度增大。当FS浓度为5mmol/L、10mmol/L和100mmol/L时，水通量下降程度变化不大，只有当FS浓度为200mmol/L时，水通量下降程度明显增大。

由图5所示的膜污染阻力趋势亦可看出，随FS离子强度增大，膜污染阻力增大。当FS浓度为200mmol/L时，其膜污染阻力值为7.70×1010m–1，达到5mmol/L时膜污染阻力值的2倍多。

对于亲水性膜表面，范德华力促进膜污染，极性作用力阻碍膜污染;而对于疏水性膜表面，两种力的效果正好相反[22]。

本实验FO膜呈现出疏水性，离子强度对FO膜污染的影响主要是通过改变极性作用力来实现。较高的离子强度会降低极性作用力的排斥性或升高极性作用力的吸引性，从而加重海藻酸钠对膜的污染。并且有结果示，当NaCl浓度在0.9mol/L以下时，NaCl浓度越大，含海藻酸钠的溶液黏度越大，导致海藻酸钠结垢速度加快[23]。

综合归一化水通量和膜污染阻力变化趋势，当FS浓度较大时，膜污染的程度会严重影响FO应用中的水处理效率(产水能力)。因此，正渗透应用过程中，应根据实际需要，适当控制最终的浓缩后盐水浓度并合理安排清洗周期。

2.2.2驱动液浓度的影响

图6和图7显示不同DS浓度对FO膜污染的影响。由图6所示，随着DS浓度从0.5mol/L增加到2.0mol/L，基础实验中的初始水通量从48.51L/(m2˙h)增加到86.01L/(m2˙h)，而污染实验中的初始水通量从44.50L/(m2˙h)增加到66.92L/(m2˙h)。

由图7可知，当DS浓度分别为0.5mol/L、1.0mol/L、1.5mol/L和2.0mol/L时，由海藻酸钠污染所导致的水通量分别降低7.57%、10.60%、15.05%和23.09%。当DS浓度增加时，初始水通量也随之增加。

基础实验中水通量的增加不与驱动溶质(NaCl)浓度的增加成比例。实际上，当NaCl浓度从0.5mol/L增加到其浓度的4倍时，水通量只增加了1倍。DS浓度增加而引起的水通量不成比例增加，可归因于内部浓度极化(ICP)的影响。当DS浓度增加时，会产生更严重的ICP[5]。

在污染实验过程中，当DS浓度增加4倍时，水通量仅增加0.5倍，这是由膜污染造成的。DS浓度增大，导致越过膜的水通量更高，而渗透通量的增加造成更严重的结垢，从而水通量下降更快速。

比较不同FS和DS浓度对膜污染的影响程度可知(图4～图7)，改变FS和DS的浓度，均为改变膜两侧的渗透压差，即改变水通量，但是改变FS和DS浓度对膜污染的影响程度却不同。

其中FS浓度变化对膜污染的影响程度更大，主要因为FS浓度改变不仅改变膜两侧的渗透压差，而且对FS中ALG的黏度等性质有一定的影响。由此可知，FS浓度相较于DS浓度对膜污染影响更大，实际应用过程中对FS浓度应引起更多的关注。

2.3原料液化学性质的影响

2.3.1不同的原料液pH

图8和图9分别表示不同pH条件下的膜污染归一化通量及膜污染阻力。由图8所示，FS的pH越大，水通量降低程度越大。

在实验过程中，pH为4.2和7.0的归一化水通量下降程度差别不大，只有pH为10.7时通量下降程度很大，归一化通量降至81.22%。pH为10.7、7.0和4.2时的水通量降低程度依次减小，分别为18.78%、14.82%和14.56%。

由图9中膜污染阻力变化可知，当FS的pH为10.7时，最大膜污染阻力可达3.88×1010m–1;而当pH为4.2和7.0时，膜污染阻力分别增大到3.07×1010m–1和3.16×1010m–1。

这种现象归因于膜活性层的ζ电位分布及其疏水性[11,24]。膜的物理和化学性质由以前的研究[25]可知，聚酰胺FO膜活性层的ζ电位是带正电荷。在实验提供的溶液pH(4.2、7.0和10.7)条件下，pH越大，海藻酸盐溶液带有更强的负电荷。

因此，由于静电吸引作用，随着pH增大，海藻酸钠在膜表面的沉积量越多。此外，海藻酸钠的黏度与溶液的pH有关，据文献报道，实验中不同pH时原料液的黏度可通过海藻酸钠的pH-黏度关系标准曲线查询得到，其黏度大小排序为μ(pH=4.2)<μ(pH=7.0)<μ(pH=10.7)[26]。

根据式(2)计算可知，水通量随黏度降低而增加。因此，pH为10.7时水通量下降速度最快，而pH为7.0次之，pH为4.2时水通量下降最慢。膜污染阻力定量显示，当FS为偏酸性时，污染程度较小并且变化不大;当FS的pH增大至碱性过程中，污染程度越来越大。因此，当主要考虑污染对FO膜性能的影响时，并且鉴于膜的耐酸碱性，认为原料液呈弱酸性时的抗污染性能更好。

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