化学清洗对中空纤维超滤膜性能影响研究

刘露露，冯 磊

(天津膜天膜科技股份有限公司膜材料与膜应用国家重点实验室 天津300457)

0 引言

膜污染主要分为有机污染、无机污染、微粒沉积(胶体)和生物堆积，主要的形成机制包括膜表面微孔吸附污染物导致堵塞；溶质和膜材料间相互的化学作用形成凝胶物质；细菌增殖等[1-2]。膜污染现象在膜产品使用过程中是不可避免的，膜清洗在膜日常应用过程中是不可或缺的环节，主要包括物理清洗和化学清洗[3]。物理清洗是指通过曝气或反冲洗去除膜污染，但不能完全去除不可逆污染，当污染程度加剧，单纯的物理清洗不能将通量恢复至可接受的程度时，需要使用化学清洗剂去除污染以恢复通量，即化学清洗。化学清洗通常包括化学增强反洗、维护性清洗和恢复性清洗，是目前实际应用中控制不可逆膜污染最有效的方法[4]。但是，化学清洗剂与污染物发生化学反应的同时也可能会与膜材料本身发生化学反应，使膜材料受到损伤，膜特性发生变化，从而影响膜的使用性能和使用寿命[5-6]。

本文选用常用市售主流PVDF中空纤维膜组件，通过模拟化学清洗环境，研究化学清洗对膜性能，包括断裂拉伸强力、纯水通量、截留率、泡点压力、爆破强度等指标的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

市售主流PVDF中空纤维膜；浓盐酸(HCl)，分析纯；氢氧化钠(NaOH)，分析纯；次氯酸钠溶液(NaClO)，分析纯。

1.2 实验方法

①配制pH＝(1.0±0.1)的盐酸、pH＝(13.0±0.1)的氢氧化钠、游离氯浓度为(5000±100)mg/L的次氯酸钠溶液分别作为评价中空纤维膜酸性、耐碱性和耐氧化性化学清洗剂腐蚀性能的实验试剂。

②根据需求将实验用膜裁剪成所需长度，分别选取一定数量膜丝浸泡于纯水、pH＝(1.0±0.1)的盐酸、pH＝(13.0±0.1)的氢氧化钠、游离氯浓度为(5000±100)mg/L的次氯酸钠溶液中24h，分别选取一定数量完整膜丝测定其断裂拉伸强力、纯水通量、截留率、泡点压力、爆破强度等指标。

1.3 实验数据处理

1.3.1 断裂拉伸强力变化率

断裂拉伸强力变化率ΔL，按式(1)计算：

1.3.2 纯水通量变化率

纯水通量变化率ΔF，按式(2)计算：

1.3.3 截留率变化率

截留变化率ΔR，按式(3)计算：

1.3.4 泡点压力变化率

泡点压力变化率ΔP，按式(4)计算：

1.3.5 爆破强度变化率

爆破强度变化率ΔB，按式(5)计算：

2 结果与讨论

2.1 酸洗条件下膜性能变化分析

图1 酸洗条件下纯水通量变化率 Fig.1 Change rate of pure water flux under acid cleaning condition

图2 酸洗条件下断裂拉伸强力及爆破强度变化率 Fig.2 Change rate of tensile and bursting strengths under acid cleaning condition

图3 酸洗条件下截留率及泡点压力变化率 Fig.3 Change rate of retention rate and bubble point pressure under acid cleaning condition

图1～3分别描述了在酸性清洗条件下膜产品渗透性能、力学性能及过滤性能的变化，由数据分析可得：纯水通量变化率变化范围为0.6%～47.6%，平均 为12.7%；断裂拉伸强力变化率变化范围为0.05%～19.0%，平均为4.8%；爆破强度变化率变化范围为13%～31.5%，平均为12.0%；截留率变化率变化范围为0.3%～16.8%，平均为5.4%；泡点压力变化率变化范围为0.7%～35.6%，平均为13.4%。由平均数据分析可知，酸洗条件会对膜产品本身性能产生一定的 影响。

2.2 碱洗条件下膜性能变化分析

图4～6分别描述了在碱性清洗条件下膜产品渗透性能、力学性能及过滤性能的变化，由数据分析可得：纯水通量变化率变化范围为4.9%～66.5%，平均为21.2%；断裂拉伸强力变化率变化范围为0.05%～78.5%，平均为22.6%；爆破强度变化率变化范围为 2.9%～47.6%，平均为19.8%；截留率变化率变化范围为3.6%～21.3%，平均为9.9%；泡点压力变化率变化范围为1.0%～42.4%，平均为19.5%。由平均数据分析可知，碱洗条件也会对膜产品本身性能产生一定的影响。

图4 碱洗条件下纯水通量变化率 Fig.4 Change rate of pure water flux under alkaline cleaning condition

图5 碱洗条件下断裂拉伸强力及爆破强度变化率 Fig.5 Change rate of tensile and bursting strengths under alkaline cleaning condition

图6 碱洗条件下截留率及泡点压力变化率 Fig.6 Change rate of retention rate and bubble point pressure under alkaline cleaning condition

2.3 氧化性清洗条件下膜性能变化分析

图7 氧化性清洗条件下纯水通量变化率 Fig.7 Change rate of pure water flux under oxidizing cleaning condition

图8 氧化性清洗条件下断裂拉伸强力及爆破强度变化率 Fig.8 Change rate of tensile and bursting strengths under oxidizing cleaning condition

图9 氧化性清洗条件下截留率及泡点压力变化率 Fig.9 Change rate of retention rate and bubble point pressure under oxidizing cleaning condition

图7～9分别描述了在氧化性清洗条件下膜产品渗透性能、力学性能及过滤性能的变化，由数据分析可得：纯水通量变化率变化范围为0.2%～78.2%，平均为28.1%；断裂拉伸强力变化率变化范围为0.6%～17.3%，平均为7.1%；爆破强度变化率变化范围为1.7%～41.1%，平均为14.2%；截留率变化率变化范围为2.1%～21.3%，平均为12.2%；泡点压力 变化率变化范围为3.3%～42.9%，平均为15.5%。由平均数据分析可知，氧化性清洗条件同样会对膜产品本身性能产生一定的影响。

3 结论

通过实验可以得出，膜产品经过酸性、碱性、氧化性3种化学清洗剂进行清洗后，对应力学性能(断裂拉伸强力变化率、爆破强度变化率)的平均值分别为：4.8%、12%；22.6%、19.8%；7.1%、14.2%。渗透性能(纯水通量变化率)的平均值分别为：12.7%、21.2%、28.1%。过滤性能(截留率变化率、泡点压力变化率)的平均值分别为：5.4%、13.4%；9.9%、19.5%；12.2%、15.5%。上述结果表明，3种化学清洗方式均对膜产品本身性能产生一定的影响，但相对膜污染降低膜产品使用价值而言，化学清洗更能有效提高膜产品的利用率，存在意义更为重要。