膜蒸馏过程中污染的形成与防治策略的制定

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1、膜蒸馏过程中污染的形成与防治策略的制定当今社会，随着工业的快速发展，水资源匮乏的问题越来越突出，废水处理被认为是一种有效的解决手段。因此，开发经济高效的分离技术，成为国内外水资源可持续利用的关键。其中，膜蒸馏(membranedistillation，MD)技术自1963年被首次提出以来，一直受到大家的关注。膜蒸馏技术是一种新型分离技术，它以疏水性多孔膜两侧非等温驱动的蒸汽压差为推动力，使蒸汽分子通过膜孔迁移至另一侧，从而冷凝收集。它可认为是膜分离和蒸馏过程的结合，但与之相比，膜蒸馏技术具有以下优点:①操作条件温和，能耗有所降低;②分离效率高，理论上能够实现100%的截留;③膜材料和结

2、构要求低;④操作过程中保持机械和化学稳定;⑤设备体积小，便于与其他分离技术结合。正因如此，膜蒸馏技术在近几十年的理论研究和工业生产中不断深入，在海水淡化、果汁浓缩、酒精纯化、共沸物分离以及有毒有害废水处理等领域具有极高的应用潜力。　　膜蒸馏技术虽然得到了快速的发展，但直至目前，大多数研究尚处于实验室规模，在大规模工业化的道路上仍遇到挑战。一方面，能耗依然较高，热效有限;另一方面，膜污染成为了制约膜蒸馏长期稳定运行的关键问题。与其他膜分离过程类似，膜蒸馏过程中污染物会在膜表面积聚或膜孔内堵塞，形成膜污染。膜污染，尤其是滤饼层的形成是造成水通量和脱盐率急剧下降的罪魁祸首，会降低膜两侧温差，

3、降低驱动力，膜孔的覆盖和堵塞也会造成传质阻力的提高。与此同时，膜污染会加速膜孔湿润(membraneicacid)是最常见的天然有机污染物，在自然水体中分布广泛。腐植酸具有苯环等芳香族的疏水区，也具有荷电性的羧酸根等的亲水区，这些基团赋予它和基材之间多种的相互作用，如疏水作用、氢键、范德华力和静电作用等。除腐植酸污染外，在中药提纯以及染料萃取等领域中，有机污染也需要着重注意。这些污染发生后会部分或完全堵塞膜孔，往往自身形成凝胶，和无机离子结合造成硬化，从而难以去除。　　有机污染程度与污染物自身性质相关。Naidu等研究了腐植酸、牛血清白蛋白和海藻酸3种有机物在膜蒸馏中的污染程度，结果表

4、明，海藻酸的污染程度较轻，将其归结于海藻酸的超高亲水性以及存在的静电排斥，使其难以在疏水膜上吸附。　　1.3生物污染　　生物污染是所有生物活性有机体，包括微生物、细菌、真菌、病毒和细胞等污染的总称。常规认为，膜蒸馏中料液的高盐高温条件不利于它们的生长，所以生物污染对膜蒸馏的影响要远小于微滤、超滤和纳滤等膜过程。但是，即使极端条件下，也会有微生物存活而引起污染。更为重要是，虽然料液温度不利于大部分的嗜温微生物，但是出料液的温度一般为30～40℃，在料液与出料液之间就会形成温度梯度，微生物便在此滋生。Gryta研究表明，青霉、曲霉等真菌和假单球菌、链球菌等细菌都会在膜蒸馏中发生污染，部分发

5、生在料液/膜界面，部分则发生在出料液/膜界面。　　相比于其他类型的污染，生物污染更为错综复杂，涉及到有机活性体的生长、增殖和再迁移过程。以细菌为例，当极少数细菌通过强的相互作用在表面发生不可逆的吸附后，随着水体中营养物质的不断供应，表面上细菌会发生快速的生长和增殖，彼此粘联形成生物膜。它们不仅会堵塞膜孔，影响传质和传热，更会分泌亲水的胞外分泌物，加速了膜湿润。生物膜一旦形成，很难将其采用物理和化学手段进行清洗。　　2抗污染方法　　膜蒸馏运行过程中，随着时间的进行，都无法避免料液对膜的污染。为了延长运行时间或阻止膜污染的继续发展，研究者采取了特定策略来进行控制。目前，抗污染方法主要从料液

6、处理、清洗工艺、过程控制和膜体优化等4个方面展开。其中，料液的预处理和膜清洗是最为常用的2种方法。　　2.1料液的预处理　　实验室的研究中涉及的料液多由单一物质组成，对于工业废水，尤其是膜蒸馏处理的料液一般为混合物，包括无机物、有机物、胶束、颗粒或微生物都会混杂在一起。料液的预处理是膜蒸馏中抗污染方法的第一步，也是最为重要的环节。常用的预处理手段包括絮凝、膜过滤、热处理和调节酸碱度等。料液的絮凝最为经济有效，可以将水体中的悬浮物凝结成为大颗粒沉积下来。海雅玲等对火电站冷却塔循环水采用聚合氯化铝混凝预处理，在膜蒸馏中产水水质较稳定，经10h持续运行后，膜通量仅衰减0.35%。基于微滤、超

7、滤甚至纳滤的膜分离技术也常常用于料液预处理中，它们可以针对料液中不同尺寸悬浮物进行更为高效的去除。实际上，料液的预处理也往往遵循逐级处理的方式，将絮凝和膜过滤进行结合。热处理和调节酸碱度主要针对无机污染，尤其是钙盐的处理。本课题组前期工作中，将含氮氨废水进行调酸，使氨离子化，结果表明，当进水pH为5时，膜蒸馏处理含氨氮高盐废水具有较好的产水水质以及较高的脱盐率和氨氮去除率。　　2.2膜清洗　　膜污染会随时间的增长而加剧，严重时就必须对膜进行清洗