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膜的污染及其控制方法

膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、胶体粒子或溶质大分

子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或

膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离

特性的不可逆变化现象［１］。

实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而

污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。据调查，就超滤而言，污

染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使

投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽［２］。对膜

污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除

它的不良影响。

1沉淀污染

以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)

和微滤(MF)。根据不同膜与水中微粒的相互关系［３］，可知沉淀污

染对RO和NF的影响尤为显著。
当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结

垢。普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如

氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。

设在溶液中有化学反应：xAy－＋yBx＋＝AB
xy

当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积K＝γx［Ay－］xγy
spAB

［Bx＋］y为常数。其中，γ、γ为自由离子A和B的平均活度系数；
AB
［A］，［B］为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。平均活

度系数可用离子强度［I］的函数来估测：

logγ＝－0.509ZI1/2，
AA
logγ＝0.509ZI；
BB1/2
Z、Z为自由离子的化合价。对稀溶液，如大多数天然水体，其活度
AB
系数γ、γ近似等于1。
AB

如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为C，C，C。
frp

图1膜系统中不同位置的溶质浓度

由阻截率知：
R＝1－C/C(1)
pf

设系统回收率为r，由物料平衡，知：

C－(1－r)C＝rC(2)
frp

由式(1)，(2)可得：

C＝C［1－r(1－R)］/(1－r)(3)
rf

由(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度C，随进水浓度C，回
rf
收率r和截留率R的增加而增加。此时，被截留的浓缩液溶度积K
spr

＝γx[Ay－]xγy[Bx+]y。当浓缩液溶度积K与溶液溶度积K的比值
ArBrsprsp
大于1时，就存在着盐析出的可能性。

实际上，方程(3)低估了促进沉淀生成和结垢的盐浓度，因为其

推导中未考虑浓度极化。鉴于这个原因，引入浓度极化因子PF(边界

层与溶液中浓度之比值，大于1)，PF值通常可用回收率r的指数函

数的形式来估计，

PF＝exp(K×r)(4)

其中K为半经验常数，对于商业应用的RO膜组件，取值为0.6～

0.9，结垢在RO装置的最后几个单元中(即在浓度最高的地方)最先形

成。
避免沉淀污染的方法主要是减少离子积中阳离子或阴离子的浓

度。例如，添加酸可减少氢氧化物和碳酸盐的浓度，使金属离子沉淀

难以生成。原水可通过石灰软化沉淀或离子交换等预处理方法去除易

结垢的金属离子(如Ca2＋、Mg2＋等)。还可以加入阻垢剂，例如磷酸六

甲基，以阻碍沉淀生成。

2吸附污染

有机物在膜表面的吸附通常是影响膜性能的主要因素。随时间的

延长，污染物在膜孔内的吸附或累积会导致孔径减少和膜阻增大，这

是难以恢复的。腐殖酸和其他天然有机物(NOM)即使在较低浓度下，

对渗透率的影响也大大超过了粘土或其它无机胶粒［４］。

与膜污染相关的有机物特征包括它们对膜的亲和性，分子量，功

能团和构型。带负电荷功能团的有机聚合电解质(如腐殖酸和富里酸)

会与带有负电荷的膜表面之间存在静电斥力。用在水和废水处理中的

聚砜、醋酸纤维树脂、陶瓷和薄表层复合膜表面都带有一定程度的负

电荷。一般来讲，膜表面电荷密度越大，膜的亲水性就越强。而疏水

作用可增加NOM在膜上的积累，导致更严重的吸附污染。

根据化学组成，可识别造成膜污染的NOM中的特定组分。利用热

解气相色谱(GC)/质谱(MS)分馏技术，识别出多糖和多羟基芳香族化

合物是地表水和岩溶地下水中的两种主要组分。试验证明，多羟基芳

香族化合物比多糖吸附污染严重得多［５］。
NOM除对膜的直接吸附污染外，对胶体在膜上的粘附沉积也起着

重要作用。对沉积层中天然水体出现的有机污染物种类和它们的相对

浓度分析表明，聚酚醛化合物，蛋白质和多糖与胶体粘附在一起沉积

到膜上，并且在膜表面形成凝胶层。因此，吸附污染和水中有机物形

成凝胶层的稳定性影响了纯水力清洗的效率。纯水力清洗的方法有反

冲洗，快速脉冲或横向流反向冲洗。用作膜化学清洗的试剂必须能有

效溶解凝胶层中的有机化合物。因此，用作膜的化学清洗的溶