膜过程中膜清洗技术研究进展

收稿日期:2001-11-20作者简介:张国俊(1975-),男,山西榆社人,博士生,主要从事膜分离技术的研究工作.膜过程中膜清洗技术研究进展张国俊,刘忠洲(中国科学院生态环境研究中心,北京100085)摘要:本文综述了目前国内外对膜清洗技术的研究进展状况。重点介绍了脉冲电场膜清洗技术和超声TDR实时检测膜污染及膜清洗技术。另外对膜清洗过程需要注意的几个问题提出了建议。关键词:膜污染;膜清洗;脉冲电场膜清洗;超声TDR实时检测中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1000-3770(2003)04-0187-04由于浓差极化和膜污染造成的渗透通量下降是膜技术广泛应用受到限制的最主要问题之一。膜过程的实际运行费用中,除了动力费用和更换膜组件费用外,与膜污染密切相关的膜清洗过程也需消耗一大笔费用。目前,膜专家们已开始对膜过程中的膜污染研究投入很大注意力[1-3]。本文综述了近期国内外关于膜清洗技术的研究进展,以期在膜清洗方面为膜工作者作一参考。1膜清洗的一般方法及其适用范围膜的清洗分为物理清洗,化学清洗和生物清洗三种方法。物理清洗是利用高流速的水或空气和水的混合流体冲洗膜表面,这种方法具有不引入新污染物、清洗步骤简单等特点,但该法仅对污染初期的膜有效,清洗效果不能持久。化学清洗是在水流中加入某种合适的化学药剂,连续循环清洗,该法能清除复合污垢,迅速恢复膜通量。生物清洗是借助微生物、酶等生物活性剂的生物活动去除膜表面及膜内部的污染物。化学清洗和生物清洗都存在向系统引入新的污染物的可能性,另外运行与清洗之间的转换步骤较多。1.1物理清洗方法常见的物理清洗方法通常有低压高流速清洗、反压清洗及这两者的联用。低压高流速即在较低的操作压力下尽可能地加大膜面流速,该法一方面使得溶质分子在膜面停留的机率降低,另一方面减轻了料液与膜面之间的浓差极化。反压清洗即通过在膜的透过液一侧施加压力,使透过液反向透过膜。该法一方面可以冲掉堵塞在膜孔内的污染物,另一方面对料液侧膜表面的附着层也有着一定的冲洗作用。吴光夏等人对膜的负压清洗做了大量的工作,并在国内申请了多项专利[3-8]。所谓膜的负压清洗是在膜的功能面造成负压,即低于大气压的压力下使膜面和膜内部的污染物脱落。该法的一般清洗特点是:在清洗时,使膜组件接在泵的吸程上,造成膜的功能面压力低于大气压(即为负压),而膜的另一面为大气压,从而使透过液逆流透过膜来清洗膜面和膜孔内的污染物,这与反压清洗既有相同之处又有不同之处。两法的相同之处在于都是利用膜反面的压力高于膜功能面压力而使透过液逆流反向通过膜功能面;不同之处在于,实行反压清洗时,膜正反面与大气压的关系为:大气压≤膜正面压力<膜反面压力,而负压清洗时,三者的关系为:膜正面压力<大气压力=膜反面压力。显然,膜的负压清洗更利于膜压实的恢复,且因膜正反面的压差最大为一个大气压,故不会因操作失误而被损坏。1.2化学清洗方法在实际运行中,对于污染严重的膜,仅靠物理清洗很难使膜通量完全恢复,必须借助于化学清洗。化学清洗剂的选择应根据膜污染物的类型和污染程第29卷第4期2003年8月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.29No.4Aug.,2003度,以及膜的物理化学特性来进行,清洗剂可单独使用,也可复合使用。清洗剂中无机酸主要用来清除无机垢,使污染物中一部分不溶性物质转变为可溶性物质;强碱主要是清除油脂、蛋白、藻类等的生物污染、胶体污染及大多数的有机污染物;螯合剂主要是与污染物中的无机离子络合生成溶解度大的物质,从而减少膜表面及孔内沉积的盐和吸附的无机污染物[9]。针对不同的料液也可将几种清洗剂适当复配作为专用清洗剂,或采取酸和碱交替清洗的清洗方法,作者曾对印钞擦版液产生的膜污染采用了酸与碱交替清洗的方法,结果取得了非常满意的效果[10]。表1介绍了用于聚酰胺类复合膜污染化学清洗的一些主要化学药剂及其适用范围[9]。表1复合膜污垢的主要清洗方法化学药剂污染物类型碳酸盐垢SiO2硫酸盐垢金属胶体有机物微生物HCl(pH=2.0)√√0.5%H3PO4√1%甲醛√2%柠檬酸+氨水(pH=4)√√√1.5%Na2EDTA+NaOH(pH=7～8)√√1.0%Na2S2O4√NaOH(pH=11.9)√√√1.5%Na2EDTA+NaOH(pH=11.9)√√√√三聚磷酸钠,磷酸三钠和Na2EDTA(各1.0%)√√1.3生物清洗方法这类方法又可分为两类:一类类似于化学清洗方法,使用清洗剂清洗,所不同的是此类清洗剂具有生物活性;另一类则是将生物剂固定通过特殊的方法固定在膜上,使膜具有抗污染的能力。对含蛋白体系的混合物膜分离过程,酶制剂清洗是一种非常有效的方法[11]。采用酶制剂清洗可以切断蛋白链,而表面活性剂可与特定的蛋白链发生