由于膜污染和濃差極化等問題的存在,嚴重阻礙了陶瓷膜技術更廣泛、更大規模的工業應用,因此控制膜污染對膜技術的應用顯得十分重要。實際工藝中雖然可以通過選擇合適材料的膜及優化膜過濾操作參數來降低膜污染程度,但膜污染仍然不可避免。通過采用一系列經濟有效的方法來減輕膜污染,提高滲透通量的抗污染研究已成為膜技術研究領域的熱點。
防治膜污染的主要方法首先是根據水質特點選擇合適的陶瓷膜(或對膜進行改性處理以改進其分離性能);其次完善預處理工序,指在原料液過濾前進行絮凝、過濾等預處理,提前脫除一些可能與膜發生作用的物質,有效緩解膜污染;最后優化操作條件以減輕濃差極化,減少濾餅沉積量,降低膜污染,提高膜通量。
(1)對原水進行預處理
原水的預處理指過濾前對其進行絮凝、過濾,去除較大的懸浮或膠體粒子,或加入改性劑調整原水的pH值,使小分子溶解性有機物聚集或吸附并形成絮體,從而被膜表面截流,去除膜污染物,減輕膜的負荷和污染。
根據原水及陶瓷膜材料的性質選擇相應的預處理方法。采用砂濾、混凝等方法預處理含懸浮微粒或膠狀物濃度較大的原水;添加殺菌劑預處理富含微生物的原水,防止微生物對膜的污染和侵蝕。采用加阻垢劑的方法預處理含難溶鹽的原水;可加入適當藥劑以降低高粘度的原水,改善原水流動性能,提高膜過濾效果。
混凝預處理能有效地防止膜污染,過濾混凝液時,在膜表面形成的濾餅層能吸附中性親水性的小分子有機物,而且這層濾餅層能容易地為反沖洗所清洗,從而有效地防止了膜污染。另外,混凝可提高反向滲透速度,從而減少污染物質在膜面的沉積吸附,增加滲透通量。許多試驗證實膜過濾與混凝工藝相結合,能有效地提高膜通量和去除有機物。
(2)優化操作條件
膜面流速增加可增大膜表面水力攪動程度,減少膜表面污染物積累,提高膜通量防止或減少污染。李昕等闡述了改善膜表面流動狀態防治膜污染技術,提出將適宜的操作方式與膜過濾結構結合提高膜滲透通量。有研究表明增大膜表面的流速可以起到邊透水邊沖洗膜的作用,能防止過快膜污染。在陶瓷膜過濾中引入脈沖流或使膜振動和優化和改進膜組件及膜系統結構設計,提高膜面處剪切流速等改善膜面流速的方式能有效控制膜污染[81]。但流速過大會使膜表面污染層變薄,造成膜孔堵塞不可逆的污染。因此要控制膜面流速在一定的范圍內使之能高效的防止膜污染。
有研究認為當過濾壓力低于臨界壓力值時,膜通量隨壓力增加而增加,高于此壓力時會加劇膜面的污染。改變操作及反沖條件也可在一定程度上控制膜的不可逆污染,而不是通常所認由原水性質決定的膜的不可逆污染。目前在陶瓷膜微濾過程中常采反沖技術來控制膜污染。反沖是指利用壓力驅動液體,使膜管受到一股與過濾方向相反的作用力,迫使膜表面及孔內吸附及堵塞顆粒返回截留液中,破壞膜面沉積層,提高膜通量。當反沖壓力大于過濾壓力,進入膜孔內的顆粒可以通過反沖去除。提高混合液溫度,降低粘度和提高流體切向剪切力有利于提高膜通量,減輕膜污染。
因此,根據原水水質、膜的種類等因素,設定的操作條件、膜表面流速以及反沖洗的條件,對保持穩定的膜壓差、維持膜長期穩定的運行有著重要的意義。