摘要：膜污染是影響膜技術得以推廣應用的主要因素，其機理尚未完全清楚，本文綜述了近年來關于膜污染的影響因素的研究成果，從膜的性質、膜、溶質和溶劑之間的相互作用、料液性質三方面因素對膜污染的影響進行了闡述，具體對膜材質、膜孔徑、膜孔隙率、膜電荷性、膜親疏水性、膜粗糙度、膜件結構等膜性質、膜與溶質間的相互作用以及料液溫度以及料液流速與壓力、pH等料液物理、化學性質對膜污染的影響進行了討論。
　　關鍵詞：膜組件;膜污染;因素分析
　　
　　膜污染主要是由于流體在分離膜表面的濃差極化和流體中溶質與膜面間的相互作用所引起的。總的來說，它是指與膜接觸的料液中的微粒、膠體粒子或溶質大分子等與膜間存在物理、化學或機械作用，而引起的各種固體或溶質成分在膜面或膜孔內吸附、沉積造成的膜孔徑變小或堵塞，使膜發生透過通量變小與分離性能惡化的現象。根據國際純粹與應用化學協會(IUPAC)的定義，由于懸浮物或可溶性物質沉積在膜的表面、孔隙和孔隙內壁，從而造成膜通量降低的過程稱為膜污染。膜污染是影響膜技術得以推廣應用的主要因素，因此研究造成膜污染
　　
　　的影響因素，并減少膜污染，對膜技術的推廣應用具有極其重要的意義。
　　1膜的性質對膜污染的影響
　　膜的性質對膜污染的影響主要是指膜材質、膜孔徑大小、膜電荷性、親疏水性等一系列膜的物化性能對膜污染的影響。
　　1.1膜材質
　　K.H.Choo等人[3]比較了使用聚砜膜、纖維素膜和聚偏氟乙烯三種不同材質下膜污染的情況，研究發現在過濾的初始階段，膜污染的趨勢主要由膜材質所決定，三種膜材質中以聚偏氟乙烯膜污染趨勢最小。K.H.Choo等人研究表明，不同膜材質的污染趨勢與料液對膜材料的粘附性能有關，與膜表面張力的分散組分的趨勢一致，即膜表面張力的分散組分越大，越容易發生粘附污染，并由此在對以上三種材質的膜比較中得出，聚偏氟乙烯膜的污染趨勢最小。
　　1.2膜孔徑或截留分子量
　　當膜孔徑與粒子或溶質尺寸相近時，容易導致膜孔堵塞。從理論上講，確保污染物被截留的情況下，選擇孔徑大點的膜可以使水通量提高。但實驗發現，選用較大膜孔徑，反而加速了膜的污染，水通量下降很快。一般來說，膜的切割顆粒尺寸(截留分子量)應比要分離的污染物的尺寸小一個數量級。Hong.S.P等[4]認為，滲透通量下降率隨著膜孔徑的增加而加快。
　　1.3膜孔隙率
　　膜孔隙率影響著溶液通量的大小，由Hagen-Poiseuille公式，結合Spiegler-Kedem方程、空間阻礙細孔模型和TMS模型可知，當膜厚度、彎曲因子越大，孔隙率越小時，溶質和溶劑的滲透通量越小。同樣，王曉昌等[6]采用Kozeny-Carnen方程也發現，膜孔隙率和顆粒尺寸越大，膜面污染層比阻越小，膜的滲透通量越大；膜的孔隙率還對膜溶質的截留具有選擇性。
　　1.4膜電荷性質
　　有些膜材料本身帶有的電荷或極性基團，會與料液中的荷電體產生相互作用，根據同者相斥、異者相吸的原理，相斥時膜面不易被污染，相吸時膜面易吸附溶質而被污染。膜在料液中，由于構成膜的高分子材料本身具有電荷性，或由于對料液中的正負離子有吸附排斥作用使膜面荷電，從而對膜性能產生影響。由于天然水體中大多帶有負電荷膠團的微粒和雜質，當膜面呈正電荷性質時，膠體中的微粒和雜質易于沉積于膜面造成污染，使得膜性能下降。反之當膜面具有與膠體微粒同性電荷時，膜不易受到污染。所以在處理一般水溶液時，選用荷負電的膜材質能起到一定的膜污染防止作用。
　　1.5膜的親疏水性
　　根據“相似相溶”原理，極性或結構相似的物質易于相互吸附，因此膜的親疏水性影響著膜的分離性能。一般來說，親水性聚合物膜表面易附著水層，不易受到生物溶質和生物性不溶物的污染，而疏水性膜對生物具有親和性，更容易導致生物污染等不可逆的污染，加劇膜的污染程度，影響出水的水質，因而采用親水性膜比疏水性膜具有更優良的抗污染特性。
　　1.6膜面粗糙度
　　增加膜表面粗糙度可以加大膜表面積，隨著膜表面粗糙度的增高，膜的水通量也相應增大，粗糙度與水通量存在著一定的線性關系；但另一方面，膜表面粗糙度的增加也進一步增加了膜表面吸附污染物的可能性。同時，膜表面粗糙度也通過影響進水在膜面的流態和流速，進而影響污染物在膜面上的沉積速率，從而阻礙了污染物在膜表面的形成。Riedl等[7]研究發現，粗糙度與表面污染層形貌密切相關，表面光滑的膜傾向于形成致密的污染層，導致水通量衰減較快，而粗糙度大的膜形成的污染層則較疏松，因此水通量受污染層影響較小。
　　1.7膜件結構的影響
　　膜件結構的選擇很重要，通常不對稱結構膜較對稱結構膜耐污染。對于微濾膜，由于其孔徑較大，相對來說它的比流動阻力是較小的。在實際應用中，微濾膜本身的流動阻力與其上形成的覆蓋層的阻力相比較，可以被忽略。所以在微濾的情況下，沒有很薄的膜層，因此也不一定需要不對稱膜。在超濾的范圍內，一般根據轉相過程原理，將膜制成具有粗孔支撐層和細孔分離活性層的不對稱膜。
　　2膜、溶質和溶劑之間相互作用對膜污染的影響
　　膜、溶質和溶劑三者之間的相互作用中，主要以膜與溶質間的相互作用為主，膜與溶質間的相互作用可分為：
　　2.1靜電力
　　有些膜材料帶有極性基團或可離解基因，因而在與溶液接觸后，由于溶劑化或離解作用使膜表面荷電，它與溶液中荷電溶質產生相互作用；當二者所帶電荷相同時，便相互排斥，膜表面不易被污染；當所帶電荷相反時，則相互吸引，膜面易吸附溶質而被污染。
　　2.2范德華力
　　范德華力是一種分子間的吸引力，常用比例系數H(Hamaker常數)表征，與組分的表面張力有關，對于水、溶質和膜三元體系，決定膜和溶質間范德華力的Hamaker常數為：
　　H213=[H111/2-(H22×H33)1/4]2
　　式中，H11、H22和H33分別是水、溶質和膜的Hamaker常數，由上式可見，H213始終是正值或零。若溶質或膜是親水的，則H22或H33值增高，使H213值降低，即膜和溶質間吸引力減弱，較耐污染及易清洗。
　　2.3溶劑化作用
　　親水的膜表面與水形成氫鍵，這種水處于有序結構，當疏水溶質要接近膜表面，必須破壞有序水，這需要能量，不易進行；而疏水膜表面上的水無氫鍵作用，當疏水溶質靠近膜表面時，擠開水是一個疏水表面脫水過程，是一個熵增大過程，容易進行，因此二者之間有較強的相互作用。
　　3料液性質對膜污染的影響
　　3.1料液的物理性質
　　料液物理性質主要包括料液粒子或溶質尺寸、料液溫度、料液的流速與壓力以及料液粘度、濃度等方面。當膜孔尺寸與料液中的粒子或溶質大小相近時，料液中的粒子會在壓力的作用下被溶劑帶向膜，造成膜孔堵塞；而當膜孔徑小于粒子或溶質尺寸時，由于受到橫切流的作用，使得這些粒子或溶質很難在膜表面聚集，因而不易造成膜孔堵塞。料液溫度對膜污染的影響具有雙重作用，提高料液溫度可以降低料液粘度、增加擴散系數，從而使濃差極化的影響降低；但溫度上升同時也會降低料液中某些組分的溶解度，造成膜表面的吸附污染增加。料液流速與壓力對膜透水率影響通常是相互關聯的，當料液流速保持一定且濃差極化不明顯之前，膜的透水率會隨著壓力增加近似直線增加。當濃差極化起作用后，透水率隨壓力提高而曲線增加，濃差極化隨之嚴重，使透水率隨壓力增加脫離線性關系。當壓力升高到一定數值后，濃差極化使膜表面溶質濃度達到極限濃度，溶質在膜表面開始析出形成凝膠層。此時，凝膠層阻力對膜通量影響起決定作用，透水率幾乎不依賴于壓力。因此要選擇合適的壓力與料液流速，以保證得到最佳透水率的同時避免凝膠層的形成。
　　3.2料液的化學性質
　　料液化學性質主要指料液中各溶質組成成分、形態、pH及離子強度等。J.Brinek等人[9]通過實驗，發現溶液pH值對脂肪酸在疏水性的膜的吸附有很大影響。當pH值減小時，吸附變多。當形成邊界層濃度達到飽和濃度時，吸附急劇增加。當pH值大于7—8時。就幾乎沒有脂肪酸的吸附，因為這時脂肪酸都變成其相應的鹽，而鹽的溶解度比其脂肪酸的溶解度要高很多。料液中的離子強度增加會導致蛋白質的構型和分散性改變，影響吸附；同時有實驗表明，料液中的鹽易被膜面吸附，影響膜通量。
　　4結論
　　綜上，膜污染的影響因素不僅與膜材質、膜孔徑大小、膜孔隙率、膜電荷性、膜的親疏水性、膜面粗糙度及膜件結構等膜的自身特性有關，也與膜與溶質、溶液相互之間的作用關系以及料液物理、化學性質諸如料液成分、溶質尺寸、料液溫度、料液流速和壓力等方面有關，對于具體的應用對象，應根據具體情況作綜合考慮。
　　
　　參考文獻
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