正渗透膜污染影响因素的研究与分析

北极星环保网讯:以海藻酸钠(ALG)为典型有机污染物，采用TFCFO膜，以水通量下降率和污染阻力作为膜污染的评价指标，探究了正渗透(FO)过程中的膜摆向(FO模式和PRO模式)、原料液(FS)和驱动液(DS)的浓度、原料液中Ca2+浓度和pH对FO膜污染的影响规律，并提出适宜的膜清洗方案。

结果表明，在PRO模式下，膜污染阻力为3.38×1011m–1，而在FO模式下仅为3.88×1010m–1，表明FO模式污染轻;FS或者DS浓度的增大均会导致污染阻力增大，使得污染更加严重;当FS中不含Ca2+和含Ca2+浓度分别为1mmol/L和2mmol/L时，相较于初始通量，其通量降低率分别15.40%、18.49%和24.93%，当Ca2+浓度从1mmol/L增大到2mmol/L过程中，膜污染阻力增大1.6倍;当FS的pH为4.2、7.0和10.7时，水通量降低率依次增加，分别为14.56%、14.82%和18.78%。

分别采用去离子水、pH为3.0的HCl溶液、pH为11.8的NaOH溶液以及十二烷基硫酸钠(SDS，pH=11.0)溶液对膜进行清洗，得到SDS溶液清洗效果较好，通量恢复率可达90.70%。

正渗透(FO)是利用半透膜两侧溶液渗透压不同，溶剂(通常是指水)可自发地从低渗透压侧流向高渗透压侧，即逆浓度梯度方向而传递的过程[1]。

FO技术作为一种新型膜分离技术，具有低能耗、高水回收率等优势，其在海水淡化、废水处理、食品加工与药物制备、农业和电力等领域被广泛应用[1-2]。

目前，就提高产水通量而言，FO技术仍存在两个主要问题亟需解决。严重的内部浓差极化(ICP)是损害FO性能的主要问题之一，其中，稀释内部浓差极化是降低FO过程中水通量的主要因素[3-5]。ICP不能简单地通过改变流体动力学操作条件减轻，而是通过优化膜的结构性质(如孔隙率、孔径分布、弯曲度和厚度)使ICP最小化[3-4]。

膜污染则是影响FO性能的另一个主要问题。随着FO应用领域的扩大，膜污染问题日趋凸显。与其他膜技术类似，FO过程中的膜污染也受到各种因素的影响，包括操作条件、水力条件和污染物之间相互作用等。

污染物可以沉积在膜表面上或被捕获在膜孔或微结构中，因此不同的膜摆向(FO模式和PRO模式)对膜污染有不同的影响[6-7]，其中。LI等[8-10]研究表明，在RO膜污染过程中，当Ca2+存在时导致的膜污染比污染物单独污染时更严重。由前人研究可知，以磺胺甲唑等作为污染物，研究进料溶液pH对污染水通量影响，随着pH的增加，水通量增加而特定的反向盐通量和氢离子通量下降[11]，因此pH可以作为正渗透膜污染的重点影响因素来研究。

GU等[12]研究显示，两种污染物不同比例存在于FS中，对于含有混合污染物的给水，污垢层组合物由污物间相互作用控制，与污染物的电荷特性密切相关。由此可知，FO膜的污染结垢特性取决于多种因素，此前研究人员对了解FO膜污染进行了许多有益研究工作。

但是，目前大多数FO膜污染实验集中研究影响污染的单一因素，并且很少全面评价膜污染影响因素，对膜污染缺乏统一的评价方法，同时根据对膜污染的分析，提出的有效缓解FO膜有机污染的化学清洗方法也较少。

本文系统地研究了影响FO膜海藻酸钠污染的因素，提出以膜污染所产生的膜污染阻力(也称结垢阻力)作为污染程度的评价方法，评估膜有机污染的主要影响因素，并且提出适宜的膜清洗方案，以恢复正渗透膜性能。本论文研究结果为FO在实际应用中的操作条件优化和膜污染控制提供了基础实验依据。

1实验

1.1实验材料

1.1.1正渗透膜与化学试剂

本实验的FO膜采用韩国世韩公司的FO膜，膜的支撑层为聚醚砜(PES)，活性层为聚酰胺(PA)，膜的总厚度约为4×10–5m。本实验以海藻酸钠作为污染物，黏度范围为1.05～1.15Pa˙s，pH在7～8之间;十二烷基硫酸钠(SDS)活性物含量≥91%，pH为7.5～9.5(1%溶液);NaOH含量不少于96.05%;HCl纯度为分析纯;无水CaCl2含量不少于96.0%;NaCl质量分数为99.8%。

1.1.2正渗透膜基础特性

表征FO膜的特性参数可分为活性层的透水性(A)、盐渗透性(B)以及支撑层的结构参数(S)。系数A和B表征基于CATH等[13]提出的标准方法，A和B系数实验测量在实验室规模的压力延迟渗透(PRO)系统中进行。膜水渗透系数(A值)使用式(1)，基于渗透物和进料溶液的电导率测量计算盐阻挡率(R)见式(2)，并且使用式(3)确定盐渗透系数(B)[14]。

FO膜的特性参数如表1所示，FO膜活性层的水接触角约为66.9°，这表明FO膜内表面略微疏水，这可能促进污垢附着和沉积到膜表面。因此，通过污染物在膜活性层内的吸附引起的膜结垢可能是水渗透性降低的主要原因[15]。

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