膜蒸餾過程中污染的形成與防治策略的制定

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1、膜蒸餾過程中污染的形成與防治策略的制定當(dāng)今社會，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，水資源匱乏的問題越來越突出，廢水處理被認(rèn)為是一種有效的解決手段。因此，開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的分離技術(shù)，成為國內(nèi)外水資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵。其中，膜蒸餾(membranedistillation，MD)技術(shù)自1963年被首次提出以來，一直受到大家的關(guān)注。膜蒸餾技術(shù)是一種新型分離技術(shù)，它以疏水性多孔膜兩側(cè)非等溫驅(qū)動的蒸汽壓差為推動力，使蒸汽分子通過膜孔遷移至另一側(cè)，從而冷凝收集。它可認(rèn)為是膜分離和蒸餾過程的結(jié)合，但與之相比，膜蒸餾技術(shù)具有以下優(yōu)點:①操作條件溫和，能耗有所降低;②分離效率高，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)100%的截留;③膜材料和結(jié)

2、構(gòu)要求低;④操作過程中保持機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定;⑤設(shè)備體積小，便于與其他分離技術(shù)結(jié)合。正因如此，膜蒸餾技術(shù)在近幾十年的理論研究和工業(yè)生產(chǎn)中不斷深入，在海水淡化、果汁濃縮、酒精純化、共沸物分離以及有毒有害廢水處理等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力?！　∧ふ麴s技術(shù)雖然得到了快速的發(fā)展，但直至目前，大多數(shù)研究尚處于實驗室規(guī)模，在大規(guī)模工業(yè)化的道路上仍遇到挑戰(zhàn)。一方面，能耗依然較高，熱效有限;另一方面，膜污染成為了制約膜蒸餾長期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵問題。與其他膜分離過程類似，膜蒸餾過程中污染物會在膜表面積聚或膜孔內(nèi)堵塞，形成膜污染。膜污染，尤其是濾餅層的形成是造成水通量和脫鹽率急劇下降的罪魁禍?zhǔn)?，會降低膜兩?cè)溫差，

3、降低驅(qū)動力，膜孔的覆蓋和堵塞也會造成傳質(zhì)阻力的提高。與此同時，膜污染會加速膜孔濕潤(membraneicacid)是最常見的天然有機(jī)污染物，在自然水體中分布廣泛。腐植酸具有苯環(huán)等芳香族的疏水區(qū)，也具有荷電性的羧酸根等的親水區(qū)，這些基團(tuán)賦予它和基材之間多種的相互作用，如疏水作用、氫鍵、范德華力和靜電作用等。除腐植酸污染外，在中藥提純以及染料萃取等領(lǐng)域中，有機(jī)污染也需要著重注意。這些污染發(fā)生后會部分或完全堵塞膜孔，往往自身形成凝膠，和無機(jī)離子結(jié)合造成硬化，從而難以去除?！　∮袡C(jī)污染程度與污染物自身性質(zhì)相關(guān)。Naidu等研究了腐植酸、牛血清白蛋白和海藻酸3種有機(jī)物在膜蒸餾中的污染程度，結(jié)果表

4、明，海藻酸的污染程度較輕，將其歸結(jié)于海藻酸的超高親水性以及存在的靜電排斥，使其難以在疏水膜上吸附?！　?.3生物污染　　生物污染是所有生物活性有機(jī)體，包括微生物、細(xì)菌、真菌、病毒和細(xì)胞等污染的總稱。常規(guī)認(rèn)為，膜蒸餾中料液的高鹽高溫條件不利于它們的生長，所以生物污染對膜蒸餾的影響要遠(yuǎn)小于微濾、超濾和納濾等膜過程。但是，即使極端條件下，也會有微生物存活而引起污染。更為重要是，雖然料液溫度不利于大部分的嗜溫微生物，但是出料液的溫度一般為30～40℃，在料液與出料液之間就會形成溫度梯度，微生物便在此滋生。Gryta研究表明，青霉、曲霉等真菌和假單球菌、鏈球菌等細(xì)菌都會在膜蒸餾中發(fā)生污染，部分發(fā)

5、生在料液/膜界面，部分則發(fā)生在出料液/膜界面。　　相比于其他類型的污染，生物污染更為錯綜復(fù)雜，涉及到有機(jī)活性體的生長、增殖和再遷移過程。以細(xì)菌為例，當(dāng)極少數(shù)細(xì)菌通過強(qiáng)的相互作用在表面發(fā)生不可逆的吸附后，隨著水體中營養(yǎng)物質(zhì)的不斷供應(yīng)，表面上細(xì)菌會發(fā)生快速的生長和增殖，彼此粘聯(lián)形成生物膜。它們不僅會堵塞膜孔，影響傳質(zhì)和傳熱，更會分泌親水的胞外分泌物，加速了膜濕潤。生物膜一旦形成，很難將其采用物理和化學(xué)手段進(jìn)行清洗?！　?抗污染方法　　膜蒸餾運(yùn)行過程中，隨著時間的進(jìn)行，都無法避免料液對膜的污染。為了延長運(yùn)行時間或阻止膜污染的繼續(xù)發(fā)展，研究者采取了特定策略來進(jìn)行控制。目前，抗污染方法主要從料液

6、處理、清洗工藝、過程控制和膜體優(yōu)化等4個方面展開。其中，料液的預(yù)處理和膜清洗是最為常用的2種方法?！　?.1料液的預(yù)處理　　實驗室的研究中涉及的料液多由單一物質(zhì)組成，對于工業(yè)廢水，尤其是膜蒸餾處理的料液一般為混合物，包括無機(jī)物、有機(jī)物、膠束、顆?；蛭⑸锒紩祀s在一起。料液的預(yù)處理是膜蒸餾中抗污染方法的第一步，也是最為重要的環(huán)節(jié)。常用的預(yù)處理手段包括絮凝、膜過濾、熱處理和調(diào)節(jié)酸堿度等。料液的絮凝最為經(jīng)濟(jì)有效，可以將水體中的懸浮物凝結(jié)成為大顆粒沉積下來。海雅玲等對火電站冷卻塔循環(huán)水采用聚合氯化鋁混凝預(yù)處理，在膜蒸餾中產(chǎn)水水質(zhì)較穩(wěn)定，經(jīng)10h持續(xù)運(yùn)行后，膜通量僅衰減0.35%?；谖V、超

7、濾甚至納濾的膜分離技術(shù)也常常用于料液預(yù)處理中，它們可以針對料液中不同尺寸懸浮物進(jìn)行更為高效的去除。實際上，料液的預(yù)處理也往往遵循逐級處理的方式，將絮凝和膜過濾進(jìn)行結(jié)合。熱處理和調(diào)節(jié)酸堿度主要針對無機(jī)污染，尤其是鈣鹽的處理。本課題組前期工作中，將含氮氨廢水進(jìn)行調(diào)酸，使氨離子化，結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水pH為5時，膜蒸餾處理含氨氮高鹽廢水具有較好的產(chǎn)水水質(zhì)以及較高的脫鹽率和氨氮去除率?！　?.2膜清洗　　膜污染會隨時間的增長而加劇，嚴(yán)重時就必須對膜進(jìn)行清洗