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膜材料与膜污染论文
膜材料与膜污染的研究现状
Tsinghua caokai
摘要:膜材料与膜污染存在着紧密联系,本文通过对常见膜材料、膜孔径、疏水性及膜组件的形式等方面介绍其与膜污染的关系,为合理的选择膜材料、膜组件的各种参数提供一定的参考。
关键词:膜分离、膜孔径、聚偏氟乙烯、膜污染、疏水性
正文:
1.前言 膜分离是20世纪30年代兴起的一种新型分离技术,以其高效、环保、节能的特点在化工、环保、生物、医药、食品等领域得到广泛应用,按照分离粒径大小的不同,可分为反渗透(RO)、微滤(MF)、超滤 MF 、电渗析 ED 、纳滤(NF)、膜电解(ME)、扩散渗析(DD)等,其中前四大工程已经相当成熟,在工业中得到大规模应用。与传统的蒸馏方法相比,膜分离对于热敏性、难挥发、沸点相近的混合物及成分和流体力学性质复杂的生物料液的处理等有明显优势。但是膜的可靠性是目前阻碍膜技术扩大应用的关键之一,而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素[1]。因此,膜技术进一步推广的主要瓶颈是膜污染, 膜污染不仅关系到膜组件的使用寿命和运行成本, 还影响到水处理工艺的运行效果[2]。膜材料及制备是膜过程的技术核心, 开发抗污染、耐腐蚀、长寿命的膜有很强的应用价值[3]。它与膜污染之间存在着密切的关系,其中膜的材料类型及配比、疏水性、粗糙度、膜孔大小及分布、膜孔形状、膜组件形式等都对膜的抗污染性能有着很大的影响。目前, 在膜材料方面的研究主要集中在应用表面修饰的技术使膜表面改性,旨在减轻膜污染、调整亲疏水性、提高生物兼容性、扩展生化性能、模拟生物膜、 构筑纳米结构等[2]。
2.膜材料
膜按其来源可分为生物膜与合成膜,在工农业生产中大量应用的是合成膜,合成膜按其材料类型可分为无机膜和有机(聚合)膜,其中数量庞大的聚合物是制膜的主导材料,用于制膜的主要高聚物材料有聚烯烃类、聚丙烯腈、聚砜类、芳香族聚酰胺和含氟聚合物等。
2.1 聚烯烃类
聚乙烯膜具有较好的机械性能、热稳定性和化学性能,而且价格低廉,在工业中得到了广泛的应用,但其表面能低、润湿性差,属于非极性难粘塑料膜,强烈的疏水性导致聚乙烯膜在使用时容易吸附污水中大量存在的有机物,渗透通量下降很快,分离效能迅速恶化,不可逆污染严重,膜清洗成本很高。目前对聚乙烯膜的表面改性主要有物理改性、化学改性、共混改性和接枝改性等。因此提高聚乙烯膜的亲水性的研究很有必要性,谢亚杰等人[4]的研究发现,通过物理吸附作用将Tween20吸附在聚乙烯中空纤维膜(PEHFMM)上,对于改善后者的亲水性和抗污染性能有显著作用。张宏艳等人[5]的研究指出,今后聚乙烯膜表面改性的基本要求应为经济、 高效、 操作简单、 无毒、 无污染。对现有表面改性技术的复合化研究与新的表面改性技术的开发应用将是聚乙烯表面改性的重要方向之一。
聚丙烯膜具有高熔点、高耐热性等优良性能,且原料价格低廉,在微孔膜领域得到了广泛的应用,但其疏水性也较强,润湿性差,抗污染性能差,且清洗后仍难恢复,导致膜效率降低,成本增加。对聚丙烯膜的表面改性对于提高其亲水性、抗生物污染能力和生物相容性等从而拓宽其应用范围具有重要作用[6]。
2.2 聚丙烯腈(PAN)
聚丙烯腈具有极性很强的腈基,高分子链间作用力强,其制成的中空纤维膜机械强度较低,孔径可达0.01μm,抗污染能力较强,可用空气反冲。PAN膜能耐烃、酮、酯、醇等,化学稳定性好,能耐辐射和细菌等侵蚀,但轻微憎水,耐磨性和耐疲劳性差。制成良好的超滤膜和复合膜的支撑膜,也可制备微滤膜。但较少,至今不能制成反渗透膜。机械强度与坚韧度高防霉菌性高耐磨性对气体和液体的高耐渗性耐热稳定性好温度提升过程中抗蠕变性好纯度高兼有刚性的和柔韧的形态2-甲基丙烯酰基×10-6m/s时,这种动力学方法形成的膜几乎不会被污染,长时间保持其初始通量。两性离子高聚物的表面改性发展较快,在生物原料中应用广泛,因其需要生物兼容性和抗凝血性的表面。有报道[22]说聚(2-甲基丙烯酰乙氧基磷酸胆碱)符合条件,通过带有磷酸胆碱侧链的甲基丙烯酸单体聚合而成。磺酸三甲铵乙内酯和羧酸三甲铵乙内酯的高聚物与磷酸三甲铵乙内酯的高聚物有类似作用,但是传统的表面修饰法,包括接枝法,仅在很少领域内可以应用。[23]首先提出了动力学形成法。
5.膜组件形式
膜组件是将一定面积的膜以某些形式组装的器件。对于所有的超滤和微滤膜组件,核心的问题是要尽量抑制在膜上形成覆盖层。常见的膜组件有五种型式:管式、毛细管式、中空纤维、板框式和卷式。管式膜组件的流体力学条件好,容易控制膜的污染。中空纤维膜组件的管径比管式膜组件要小,所以在同样的能耗情况下毛细管膜组件管内的流速要大,这样就可减轻膜内形成覆盖层,但膜污染后清洗要比管式膜组件困难得多。中空超滤膜都具有不对称性。由于超滤膜的内外皮层的孔径不对称分布,
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