膜分离技术在水处理方面的应用

赵庆山

摘 要：人类生产生活离不开水资源，水资源利用后的回用及排放十分重要。在众多水处理技术中，膜分离技术是一种较为新型且高效的分离净化方法。该文主要介绍了膜分离技术在饮用水净化、造纸行业、海水淡化、分离重金属等方面的应用，同时总结膜污染后不同清洁技术的相关原理。

关键词：膜分离；水处理；膜污染；膜清洁

中图分类号：X703 文献标志码：A

1 膜分离技术简介

随着现代生物学和物理学的快速发展，膜分离技术应运而生。这是一种具有选择透过性的，由无机材料或有机高分子材料制作而成的多孔薄膜，其原理是在外力的作用下，小分子物质通过薄膜，大分子物质被截留在膜的另一侧，从而达到物质分离的效果。在水处理方面的应用中，膜分离技术可以使分子量较小的水分子顺利通过，而将水中的盐类、无机物等分离出来，从而达到水提纯、净化的要求。膜分离技术相对传统的水处理技术来说，整体处理结构较为简单，占地面积小，不必使用其他化学药剂，运行过程高效、便捷。

随着制造业技术的不断提高，很多材料都可以用于过滤膜的生产，这使膜分离技术成本降低，可以广泛应用于生物制药、化工生产和食品制造等多个行业。在世界水资源紧张的今天，对生活污水、工业冷却循环水、工业废水等进行充分处理，使之满足排放、回用、回灌标准变得越来越重要。我国在此方面的研究相对于发达国家起步较晚，更应该采用资源节约型和环境友好型材料充分利用和发展膜分离技术，保护人类赖以生存的水资源。膜分离技术分为很多种，其中包括电渗析（ED）、微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）和膜生物反应器（MBR）等。虽然已经发现很多价格低廉、易得的材料可以用于加工过滤膜，但是膜的清洗和再生也是十分重要的，这也是很多科研人员的研究课题。

2 膜分离技术的应用

2.1 净化饮用水

在饮用水净化过程中，除了要去除水中无机盐、有机物等常见污染物，更重要的是去除水中微生物及其产生的化学物质。如果其进入人体，可能会导致一些疾病的产生，如痢疾、霍乱、伤寒、传染性肝炎等，对身体健康造成很大问题。膜分离技术可以有效解决此类问题，通过控制膜表面空隙的大小决定可以通过膜的物质种类，去除水中致病菌。同时，膜分离技术还可降低饮用水的浊度和色度，提高饮用水质量。在使用膜分离技术的过程中，基本上不需要向原水中添加化学成分，对原水体的影响也较小，降低水处理成本，更适用于大规模的饮用水处理系统。

2.2 造纸行业水处理

造纸行业对于水的使用是大规模的，同时水的质量也影响到出厂纸张的品质。在造纸的过程中，改变纸张的性能这一步骤是必不可少的，大部分的企业会选择使用涂布技术改变纸张性能。随着该技术的使用，大量涂布废水随之产生，此种废水主要含有颜料、乳胶等化学成分，绝不可直接排放。同时其中还有一部分化学物质因其成本较高，如果通过一定手段提取再利用，也可提高企业利润。因此很多企业选择添置膜分离水处理设备。将废水通过设备后，清水部分符合国家排放标准，可以正常排放且不会污染环境；另一侧截留下来的化学药品可通过处理继续用于产品制造。这种既可以保护环境又可以降低成本的水处理设备对于企业未来发展是不可或缺的。

2.3 海水淡化

很多沿海国家或城市，由于受到海水侵蚀，淡水资源较为匮乏，但是海水资源相对丰富，这就使很多研究人员将研究目标转向海水淡化后用于生活、饮用、生产等方面。常用的海水淡化方法包括蒸馏法、电渗析法、反渗透法等。反渗透技术相对其他2种淡化方法，拥有能耗較低、效率较高、结构简单等优点，这些优点使该技术迅速在很多国家和地区发展起来，如澳大利亚、美国等。同时澳大利亚使用风能提供海水淡化设备所需的能源，使整体建造及运作更为绿色、环保。

2.4 分离重金属

工业的迅速发展离不开金属材料，在金属材料制造的过程中，常使用大量的水冲洗金属表面，去除残余的重金属离子。原本企业对于这部分工业废水的处理方法大同小异，均是使用各种化学药剂使之与重金属离子反应，产生沉淀，经此工艺处理后的水基本可以符合国家关于工业污水排放标准，同时将其中可以回用的物质收集再利用。现代膜分离技术完全可以代替化学药剂的投加，直接将含有大量重金属离子的污水通过过滤膜，有研究表明，利用过滤膜技术处理过的工业污水可以去除99 %以上的重金属离子，同时节省化学药剂的成本费用。

3 膜污染与膜清洁技术

膜污染指的是原水经过膜表面时，水中杂质、胶体、大分子物质与膜发生反应停留在膜表面或者膜孔中，导致膜通量和分离效果降低，影响出水质量。膜污染现象出现的原因有很多，象被分离物质在截留后被吸附在膜体内，或者由于截留侧浓度不断升高，导致膜通量降低等，这些皆可降低膜的使用效率。面对这种情况，对于膜的清洁是必不可少的。常用的清洁技术分为物理、化学、生物三大部分。

3.1 物理清洁方法

物理清洁方法主要包括低压高流速清洗和反压清洗这2种。无论使用其中的哪一种或者二者联用，其主要原理是利用处理后的水对膜表面进行清洗以去除污染物质。但是这类清洁方法并不能完全去除膜内残留的化学物质，不适用于长期使用后的分离膜清洁工艺，因此需要与化学、生物等清洁方法联合使用。

3.2 化学清洁方法

就常用的超滤膜来说，其化学清洁方法所需的药剂主要包括酸、碱、螯合剂等。这些物质可以有效地与残留在膜表面的化学物质发生反应，使之离开膜表面，恢复膜的分离效果。但是在使用清洁药剂之前，必须明确需要去除的物质有哪些，据此选择合适药剂，避免因药剂使用不当改变膜结构或性质，造成膜损伤。象需要去除有机物，常使用EDTA作为螯合剂；去除氧化铁，选择酸性清洗剂等。

3.3 生物清洁方法

生物清洁方法主要分为两大类：一类是使用微生物等具有生物活性的物质作用于膜表面，除去其中污染物；另一类是将某些生物制剂固定在膜表面，这种生物制剂可以与某些被分离的物质发生反应，改变其化学、生物性质，使之不能在膜表面滞留，提高膜抗污染的能力。这2种方法的作用原理不同，但是效果均可达到膜的再生标准，有助于降低运行成本。

4 结语

膜分离技术因其众多优点将成为更多科研人员研究的重点，随着环保意识的不断增强，该技术的发展将更加符合不同水质的实际需要，在更多水处理领域中得到广泛应用。同时，开发抗污染性能强、易清洁的分离膜也将是研究人员需要克服的难点。

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