多孔膜的污染及其控制方法

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1、多孔膜的污染及其控制方法多孔膜包括微滤膜和超滤膜,一般认为两者的分离机理均为筛孔分离过程.微滤和超滤技术是膜分离技术中研究较早、也较为成熟的两种技术.然而在其使用过程中,由于浓差极化和膜污染等问题的存在,严重阻碍了多孔膜技术更大规模的工业应用.人们试图通过一些经济有效的方法来减轻膜污染,提高渗透通量.“抗污染”已成为膜研究领域的重要课题.国内外很多学者就此问题在很多方面进行了探讨和研究,本文将对国内外多孔膜的污染及其控制研究进展的现状进行综述.1　分离膜材料特性与膜污染1.1　膜表面与膜孔结构　　多孔膜的物理性能包括表面粗糙度、孔径分布、形态及孔隙率等.膜面光滑不易被污染,孔径分布窄

2、也不易被污染.Bromley等人实验发现,相对于圆形多孔膜而言,一种狭长孔膜不易在膜孔上产生微粒架桥形成滤饼或第二层膜,使一些更小的微粒能够通过膜孔而抗污效果明显.Carroll等人认为,对于中空纤维膜而言,膜污染速率与膜长度、分离孔径、膜厚度及从原液中被截留的物质都有关系.1.2　膜表面性能的影响　　膜的表面性能,如亲水性、疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间相互作用力的大小及膜的污染程度.对于亲疏水性,一般而言,膜的分离体系均为水相体系,亲水性的膜表面与水形成氢键,使之处于有序结构,当疏水溶质要接近膜表面,必须打破这种有序结构,显然不易进行,所以膜面不易被污染;而疏水膜表面上的水无氢

3、键作用,疏水溶质接近膜表面是个增熵自发过程,所以膜易被污染.对于荷电性,有些膜材料带有极性基团或可离解基团,与溶液接触后,由于溶剂化作用或离解作用使膜表面荷电.它与溶液中荷电溶质产生相互作用,同性电荷排斥,膜表面不易污染;异性电荷吸引,膜面易吸附溶质而被污染.如阴极电泳漆超滤(UF)系统中,由于阴极电泳漆的固体含量很高,且主要成分为水溶性的高分子乳液涂料和极细的胶体状颜料,故膜极易污染.为提高膜的抗污染性,目前,阴极电泳漆UF系统采用荷正电膜,阳极电泳漆UF系统采用荷负电膜,以电荷排斥来防止电泳漆在膜面上聚集,从而达到了低操作压力高通量、长寿命和易清洗等各项目的.2　分离体系构成与膜

4、污染2.1　溶液pH值影响　　溶液pH值对蛋白质在水中的溶解性、荷电性及构象有很大影响.一般来讲,蛋白质在等电点时,溶解度最低;偏离等电点时,溶解度增加并带电荷.Claudia等人[5]在微滤重组细胞内去角质酶时发现,电解质溶液随pH变化达到稳态流的流量变化极大,污染情况也随之变化.因为在电子显微镜下并未观察到膜结构变化,作者认为这和电流粘滞效应及盐截流有关.同时,溶液pH值也影响无机盐对膜的污染.低pH可使碳酸盐在膜表面的沉淀转为可溶性盐,从而减轻污染程度.2.2　溶液中盐浓度的影响　　无机盐对膜过滤过程有很大影响.溶解度极小的无机盐及一些无机盐复合物会在膜表面或膜孔内直接沉积,或

5、使膜对蛋白质的吸附增强而发生污染;或是无机盐改变离子浓度,影响到蛋白质溶解性、构象与悬浮形态,使形成的沉积层疏密程度改变,从而对膜的渗透性产生影响.由于多孔膜分离机理为筛孔分离,无机盐同样可通过改变水粘度、活度影响到膜渗透阻力.Ea2gles等人模拟啤酒成分进行微滤时发现,随着钙离子浓度增加,含淀粉溶液渗透通量略有下降,而含干酪素溶液的渗透通量明显增加,其中乙醇、麦芽糖的截留率则显著下降.由于钙离子浓度增加导致离子强度增加,这可能会电屏蔽淀粉分子使它们压缩更紧密.含干酪素的溶液在低浓度钙下很容易产生沉淀,形成更疏松的沉积层导致通量增加.但是干酪素因沉积而无法对乙醇、麦芽糖形成吸附,所

6、以造成它们的截留率下降.Malgorzata等人[3]在研究含腐殖酸和钙盐的溶液超滤时认为,钙浓度增大,离子浓度增加,使腐殖酸产生一种“收缩”,和金属离子生成的络合体会阻塞膜孔.2.3　原液中胶体物质稳定性的影响　　Yiantsios等人[7]经实验发现,原液中胶体稳定性越大,膜越不易被污染,采用反冲可使通量很容易地恢复.随着胶体稳定性降低,会在膜表面吸附形成较厚的沉积层,使污染加剧且不易清洗.2.4　溶液温度的影响　　温度对膜污染影响的机理目前尚不是很清楚,根据一般规律,溶液温度升高,其粘度下降,透水率应能提高.但对某些蛋白质溶液,温度升高,其透水率下降,这是由于温度较高时某些蛋白

7、质的溶解性下降的缘故.3　膜污染机理及其模型3.1　膜污染的机理　　Kelly等人研究了牛血清蛋白对微滤膜的污染后认为,污染开始时是蛋白质凝聚沉积在膜表面,随着过滤进行,未凝聚的蛋白质由于与二硫化物的相互作用,对已聚集的蛋白质产生化学吸附.Marshall等人认为,除了二硫化键外,范德华力、静电作用、憎水性、氢键等都对蛋白质聚合和膜污染有影响.Darko通过对多孔属鳞状发酵液微滤污染研究后认为,发酵液中的溶解性组分的沉积是膜污染的主要因素.Carrolla