反渗透膜材料及污染与防治介绍

反渗透膜材料及污染与防治介绍

　　一、概述

　　反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的一项膜分离技术。该技术从海水、苦咸水淡化而发展起来，具有无相变、组件化、流程简单、操作方便、占地面积小等优点。

　　所谓反渗透（Reverse osmosis，RO），就是一种利用反渗透膜选择性的透过溶剂（通常是水）而截留离子物质，以膜两侧静压差为动力，克服溶剂的渗透压，使溶剂通过反渗透膜而实现对液体混合物进行分离的过程。

　　二、反渗透膜材料

　　1．对反渗透膜的要求

　　膜分离技术中膜的性能决定着反渗透设备的性能，衡量一种膜有无实用价值，要看膜是否具备下列条件：

　　（1）高截污率和高透水率；

　　（2）强耐微生物侵蚀性能；

　　（3）好的柔韧性和足够的机械强度；

　　（4）抗污染性能好，使用寿命长，适用pH范围广；

　　（5）运行操作压力低；

　　（6）制备简单，便于工业化生产；

　　（7）耐压致密性好，具有化学稳定性，能在较高温度下应用。

　　以纤维素、聚酰胺等为材料制备的非均相膜，以及近年来研究的复合膜，能在不同程度上符合上述对反渗透膜的要求。

　　2．典型的反渗透膜

　　（1）醋酸纤维素

　　醋酸纤维素（Cellulose Acetate，CA）是一种由纤维素与乙酸酐（约40％）乙酰化而制得的适于反渗透用的膜材料。它是目前研究得最多的反渗透或超滤膜材料，制得的膜具有透水率高，有中等耐氯性，对大多数水溶性组分渗透率低，具有良好的成膜性能及膜较牢固等特点，除醋酸纤维素外，三醋酸纤维素（CTA），醋酸丙酸纤维、醋酸丁酸纤维（CAB）等都是很有前途的纤维素类膜材料。这些纤维酯是在纤维素分子中引入不同酯基后，得到的具有不同亲水性和反应官能团的纤维素衍生物。

　　（2）芳香聚酰胺膜

　　70年代以前研究的聚酰胺膜主要为脂肪族聚酰胺，如尼龙-66、环氧乙烷接枝尼龙等，这些聚酰胺膜透水性能较差。目前在反渗透过程中广泛采用的是芳香族聚酰胺膜，它具有良好的透水性，较高的脱盐率，优良的机械强度和高温稳定性，耐压实，能在pH值3~11很宽范围内应用，但对氯很敏感。三种典型的芳香聚酰胺膜为聚对（间）氨基苯甲酰肼间（对）苯二甲酰胺、聚间苯二甲酰间苯二胺和聚N,N-间苯撑双（间氨基苯甲酰胺）对苯二甲酰胺。

　　（3）复合膜

　　醋酸纤维素类反渗透膜存在易压密的过渡层，通量下降斜率大，不耐生物降解等问题，聚酰胺膜则对氯很敏感，为此提出了新型反渗透膜，也是被人们誉为第三代膜的复合膜概念：将超薄皮层经不同方法附载在微孔支撑体上制成膜，并分别使超薄脱盐层和多空支撑层最佳化。这样超薄层所用的单元品种多、用量少，可用性能好、价格低的单体，而不必生产大量的聚合物，也不必担心聚合物批量间的差异；超薄层可呈交联的网状而不溶，这一点不对称膜是难以实现的；通过选择单体，控制工艺条件和交联度等，来获得高脱盐率和高通量的脱盐超薄层，其pH值应用范围宽，化学稳定性好，耐生物降解，以及可满足特定的要求等。

　　从结构上来说，复合膜属于非对称膜的一种，实际只不过是两层（甚至三层）的薄皮复合体。它的制法是将极薄的皮层刮制在一种预先制好的微细多孔支撑层上。与用传统相转化法制作的不对称结构反渗透膜相比，复合膜具有以下特点：

　　a．可以分别优选不同的材料制作超薄脱盐层和多孔支撑层，使它们的功能分别达到最优化；

　　b．可以用不同方法制作高交联度和带离子性基团的超薄膜盐层，它的厚度可以到0.01~0.1um，从而使膜对污染物特别是对有机物具有良好的分离率和高透水速度，同时还具有良好的物化稳定性和耐压密性，如在相同条件下，其透水率比非对称膜高约50%~100%；

　　c.根据不同的应用特性，可以制作具有良好重复性和不同厚度的超薄脱盐层；

　　d.大部分复合膜可以制成干膜，有利于膜的运输和保存。

　　目前使用的典型复合膜有三醋酸纤维复合膜、聚脲薄膜复合体（已开发的包括NS-100复合膜和NS-200复合膜）和聚酰胺薄膜复合体、美国Film Tech公司的FT-30、日本日东电气工业公司的NTR-7100和NTR-7250，以及东丽公司的PEC-1000等。

　　（4）新型膜材料——聚苯硫醚膜

　　聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，PPS）是国外60年代最新开发的具有良好的耐热性及优越的抗化学腐蚀性的高分子工程材料，具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射、韧性好、强度大等特点。PPS纤维强度、耐热性与芳香聚酰胺类纤维相当，可在高温下（<240℃）连续使用，其耐腐蚀性优于芳香聚酰胺，仅次于聚四氟乙烯纤维，是一种能在恶劣环境下长期使用的特种材料。

　　PPS几乎能抵抗所有有机物的腐蚀。到目前还没有发现低于200℃时能溶解PPS的溶剂。碱和无机盐的水溶液对PPS即使在加热下也几乎没作用。氧化性弱的浓无机酸也不能明显地溶解PPS。但PPS在氧化性强的酸（如浓硫酸、硝酸、高氯酸或高氯酸钠、过氧化氢等）中不太稳定，可被氧化。

　　PPS除其化学稳定性外，另一个重要的性质就是它的热稳定性。其熔融温度为285℃，在1.86MPa压力下的热变形温度为260℃，可以在200～240℃长期使用。同时PPS纤维还可作为阻燃材料，其自燃和骤燃温度约为500℃。

　　由于PPS具有许多当前一般膜材料无可比拟的优良性能，而且它也具有较好的成膜性，所以是一个具有很好的应用前景的新型膜材料。特别是膜分离技术已深入到有机溶液的分离，高温液体或气体的分离以及在环保领域中含有有机溶剂或大量酸碱的生产废水的处理，一般膜材料在这类体系中难以应用，而PPS分离膜则可以很好地用于这些体系。

　　目前已可制备出的PPS膜有PPS中空纤维膜，管式膜或平板膜，以及用PPS作基膜的复合膜等。

　　三、反渗透膜的污染及其防治

　　反渗透膜在运行过程中易受水中悬浮物、胶体、微生物、结垢物以及有机物等引起的膜污染，造成膜性能下降进而影响出力。一般认为有三种情况可使膜性能下降：一是膜本身的化学变化，包括膜的水解、游离氯等的氧化以及强酸强碱的作用；二是膜本身的物理变化，包括压密、反压力作用使膜被破坏；三是膜受污染，这主要包括结垢物、微生物、胶体、悬浮物、有机物等在膜面及内部污染堵塞。这三种情况都可使膜性能下降，并造成进水压力升高、产水量下降、脱盐率下降。现在主要是采用适当的进水预处理措施，严格控制反渗透装置进水水质，以及在膜污染后采用合适的化学清洗来解决。

　　目前所采用的预处理的方法有：

　　1．采用絮凝、沉淀、过滤或生物处理法去除进水中的浊度和悬浮固体；

　　2．用氯、紫外线或臭氧杀菌，以防止微生物、细菌的侵蚀；

　　3．加入磷酸纳或酸，防止钙、镁离子结垢；

　　4．严格控制pH值和余氯，以防治膜的水解；

　　5．控制水温；

　　6．注意控制进水流速和电导率，以防止膜的水解。

　　总之，在进行反渗透进水的预处理时，应考虑两个方面：一是防治悬浮物、胶体和微生物对膜和管道内部的污染和堵塞；另一方面是要防治难溶盐的沉淀结垢。两方面的处理结果都能达到要求时，才能保证反渗透装置的正常运转。