膜的基础技术（二）

1.28 什么是膜的浓差极化现象?

由于半透膜对溶质的截留作用，使得从膜表面到原液主体形成溶质的浓度梯度，即形成浓差极化现象。

在错流运行方式下，原液在流道中的流态分为三种，靠近膜面处的为层流层，流道中部的为湍流层，介于层流层与湍流层之间的为过渡层。

在膜两侧压力差的驱动下，部分溶剂透过膜体形成渗透流，溶质被截留并在膜表面积累。整个流道中溶质浓度c在膜表面的垂线方向上变化。由于流能有效地实现溶质从膜面到主流的反向扩散，湍流层中的溶质浓度c可视为均。如设膜透过液侧溶质浓度c为恒定，则层流层中的溶质浓度c在一个梯度，并在膜表面达到最高值c。所谓浓差极化度为层流层膜表面质浓度c与流层质度之比:B=c/c

1.29 浓差极化现象对膜工艺有什么影响?

浓差极化仅使膜表面截留物浓度暂时性提高，是可恢复过程，并不直接产生膜污染。但正是由于膜过程中浓差极化现象的存在，膜表面截留物质浓度的相对提高，或加速了微滤、超滤等多孔膜表面凝胶层的形成，或加速了反渗透、纳滤等致密膜表面难溶盐的饱和析出，从而加剧了各类膜的污染。

对于微滤、超滤等多孔膜，截留物在膜表面形成的浓差极化层，也具有一定的过滤与截留作用，可在一定程度上提高分离膜对溶质的截留效果，并相应增加溶剂的透过阻力。对于纳滤、反渗透等致密膜，浓差极化现象将提高截留侧盐浓度，增加截留侧的渗透压，即增加产水阻力，降低产水流量。由于无机盐的透过率正比于膜两侧的盐浓度差，浓差极化现象还提高了无机盐的透过率，降低了膜过程脱盐率。

避免浓差极化的方法主要有:降低膜两侧压力差，可减轻已生成的浓差极化;提高膜表面的湍流程度，以降低膜面的溶质浓度

1.210 什么是膜污染?

由于膜分离过程中必然截留部分溶质，截留的溶质在膜表面或膜孔中沉积导致膜性能下降的过程称为膜污染。膜污染的主要表现形式为:降低溶剂的膜通量;降低或提高溶质的截留率。膜污染是膜工艺过程中不可避免的伴生现象，以压力为驱动力的膜过程中的膜污染，主要包括无机物污染、有机物污染与微生物污染三大类。无机物污染指颗粒物、难溶盐在膜表面沉淀析出;有机物污染指有机物在膜孔内的吸附、堵塞与截留，以及在膜表面形成的凝胶层;微生物污染指微生物在膜,三类膜污染因素的合成作用，可堵塞膜孔或形成滤饼，他面的附着、堵塞与滋生。膜的分离性能指标恶化。

多孔膜的污染以有机物与微生物污染为主，以无机物污染为辅

致密膜的污染同时存在无机物、有机物与微生物污染三种形式。难溶盐的饱和度超过其极限时将在膜表面析出沉淀，而当有机物与微生物在膜表面聚集并形成凝胶层时，即使无机盐尚未达到饱和浓度，也会与凝胶物结合形成沉淀。

膜材料及其改性、膜表面的构型、膜元件的结构、预处理及膜系统的设计与运行等领域内，技术进步的重要目的之一就是要减除污染的成因、减缓污染的发生减轻污染的程度、减少清洗的力度与频次。

1.2.11 什么是膜的水力冲洗?

膜的三大类污染及浓差极化现象均存在一个累积过程。膜系统在正常运行过程中，定期进行水力冲洗，对于减弱与缓解膜污染起着重要的作用。对预处理工艺相

对薄弱的中小型系统，水力冲洗的效果尤为明显。所谓水力冲洗是停止系统的正常膜过程，而进行专门膜冲洗程序。水力冲洗又分为正向冲洗与反向冲洗两种方式。正向冲洗(简称正洗)是采用原液以低压大流量方式冲刷污染的膜面，以消除浓差极化、膜表面的污染物及滤饼层;反向冲洗(简称反洗)是采用透过液以高压大流量方式冲刷污染的膜孔，以消除浓差极化膜孔中的污染物及滤饼层。正冲的工艺简单、能量损耗小，但冲洗效果较差;反冲的工艺复杂、能量损耗大，但冲洗效果较好。

针对轻度膜污染，可以采用水力冲洗方式加以消除。水力冲洗工艺中还存在冲洗的频率、时间、压力、流量等冲洗工艺参数。正冲洗时流量是主要参数，而反冲洗时压力是主要参数。全量过滤运行方式下有孔膜的频繁正反冲洗是不可或缺的错流过滤运行方式下有孔膜的正反冲洗频率相对较低。冲洗的时间与冲洗效果直接影响着系统的工作效率，而决定冲洗频率的主要是系统给水水质、系统运行方式及系统运行参数等因素。错流运行方式下的冲洗水可以回用，而全量过滤运行方式下的冲洗水一般排放。

超滤、微滤等有孔膜清洗过程中，可在反冲之前先对膜进行正向施加正向气压，而后再施加反向水压，以利于从膜面上大面积剥离滤饼层，该工艺称为“正压气反冲洗”。由于复合膜的复合层与基层的连接较弱，复合膜结构一般不适合反向冲洗。

1.212 什么是膜的化学清洗?

当水力冲洗工艺不足以恢复膜系统性能时，采用化学药剂的清洗工艺则成为必要手段。一般而言，清除有机物用碱，清除无机物用酸，而清除微生物用氧化剂，且多采取各种药液轮流清洗方式。化学清洗的径流形式与水力冲洗基本一致，但清洗液流量的作用趋弱，而药剂成分、药液浓度、洗液温度、清洗时间、浸泡时间甚至表面活性剂浓度等因素上升为主导地位。当膜污染严重时，酸、碱及氧化剂的轮流反复清洗也成为有效手段。

化学清洗与水力冲洗的根本区别，一是使用化学药剂，二是要明确清洗对象在对陌生系统清洗前，一般需要进行给水水质检验，有时需要打开膜容器检查元件表面残留的污染物，必要时甚至解剖部分膜元件以化验膜表层污染物成分。有效的

化学清洗总是建立在了解污染物化学成分基础之上。化学清洗也分为在线清洗与离线清洗两种方式。在线清洗的周期短、工艺简单，但往往因设备环境的限制，清洗效果欠佳。将膜元件从膜容器或系统结构中拆出，使用专用清洗设备的离线清洗时，清洗周期长，工艺复杂，但常可取得较好的清洗效果。

值得注意的是，在长流程反渗透系统中，流程前部元件多为有机物污染，流程后部元件多为无机物污染。记录膜元件在系统流程中的工作位置，并通过在线或离线检测不同位置膜元件性能衰减的程度，可有效掌握系统污染性质与程度，并明确指导膜清洗的工艺参数。

1.2 13 什么是膜集成工艺?

膜分离体系中不同膜种类具有不同的截留粒径。例如，微滤截留≥0.1um粒径物质(可截留细菌)，超滤截留>0.01um粒径物质(可截留病毒)，纳滤截留>1nm 粒径物质(可截留热原)，反渗透截留>0.1nm粒径物质(可截留大部分无机盐)，而树脂床电渗析即EDI几乎截留全部无机盐(产水电阻可达15M·cm)，不同膜工艺相互配合称为膜集成工艺。典型的膜集成工艺包括“超滤十反渗透”;超滤十一级反渗透十二级反渗透”;“超滤十一级反渗透十二级反渗透十电去离子”等形式。此外，在膜工艺浓水后处理过程采用的典型膜集成工艺还包括“反渗透十膜蒸馏”等形式。

1.2.14 膜法水处理的主要对象及目标是什么?

膜法水处理的水源包括地表水、地下水、自来水、海水，也包括工业、生活及市政污水，甚至包括垃圾渗透液等高浓度难降解污水;处理的技术指标主要是水体的净化(包括去除浊度与截留有机物)与脱盐(包括除硬度与除盐分);处理的目标有多种，一是工业、农业及生活用水的深加工处理，二是污废水的资源化处理三是高浓度污水的达标排放处理，四是工业及医疗用水的零排放处理。

1.2.15 膜分离过程预处理的目的是什么?

膜分离过程是一个高效的分离过程，分离膜对被分离的混合物具有选择透过性。目前所用分离膜的材料大多数为高聚物，其物理化学性能受高聚物长链大分链节易断裂的影响而不稳定，如耐热性，耐酸、碱性，抗氧化性，抗微生物分解性和机械强度等方面稍差。

膜分离过程的原水种类有地表水、地下水、市政自来水、海水以及各种污废水等，其水质成分复杂。因此，要保持膜分离系统的良好设计性能和安全稳定操作运行，以保证膜的使用寿命，必须对原水进行适当的预处理。原水经预处理以去除水中的悬浮物、降低水的浊度，减少以硅、铝、铁、锰为代表的无机胶体和有机胶体含量，通过消毒杀菌以防微生物的滋生，还要防止金属氧化物、无机结垢物引起的膜堵塞。

预处理工艺应根据原水的水质条件、处理水量、膜组件特性和对处理水质的要求而确定。预处理工艺还应考虑原水的pH值和原水温度等因素。

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