反滲透膜污染類型分析及清洗方案制定的研究

賈東

（固原市園林管理所，寧夏 固原 756000）

0 引 言

反滲透膜法作為一種新型的水凈化技術，以其高效、穩定、自動化程度高、占地面積小等優勢，備受水處理行業的青睞。

在日常運行過程中，反滲透膜元件不可避免地會受到進水中膠體的吸附、無機離子的析出，以及有機物微生物滋生等各類污染，導致了膜系統處理能力的下降，影響了裝置的運行負荷。

對反滲透膜進行清洗是恢復膜性能的有效手段，在實際清洗中，根據膜系統實際受污染程度及清洗的需求，分為物理清洗、化學清洗、在線清洗和離線清洗等多種清洗方式。

膜清洗過程中常用的化學藥劑種類較多，如酸、堿、活性劑、螯合劑等，不同類型清洗藥劑的適用場景不同，例如，酸性清洗劑常用來去除鈣鎂等無機垢類；

堿性清洗劑則更易與有機污染發生反應。為提升清洗效果，酸堿混合的清洗方案也比較常見。

在實際使用過程中，應根據膜自身的性能及實際污染情況來選擇不同的清洗藥劑。若清洗劑使用不當，不僅清洗效果不佳，浪費藥劑，增加清洗的成本，反而會加重膜污染，對反滲透膜的脫鹽性能產生不可逆的傷害，極大地縮短反滲透膜的使用壽命。

因此，在進行化學清洗之前，有必要對反滲透膜的實際污染狀況進行全面分析。例如，可根據膜系統進水的水質情況、發生污染的具體位置、污堵反滲透膜重量的變化、污染物的具體成分等來判斷膜污染的類型，然后，有針對性的制定最佳的清洗方案。

1 反滲透膜污染類型分析

清洗前對膜系統污染狀況進行全面診斷十分必要，生產裝置運行中判斷膜污染情況常用的方式有：

（1） 追溯預處理單元運行參數。

（2） 監控進水水質。

（3） 觀察膜元件表觀污染狀況。

其中，對污堵膜剖解后進行系統分析，才是確定膜污染類型最直接、準確的方法。

1.1 表觀污染狀況分析

對于污堵膜元件分析一般首先進行外觀觀察和稱重。

例如，化工水處理膜系統中：

（1） 一段膜元件端面通常存在黏附物，可初步判斷膜元件受到微生物或有機物質的污堵。

（2） 二段膜元件端面及膜面發現白色垢類，大多數情況為碳酸鈣垢或硅垢。

（3） 對膜元件進行稱重，也是判斷污堵程度的重要指標，重量越重，表明膜元件受污染的情況越嚴重。

1.2 剖解分析

將膜元件剖解后觀察膜表面和格網狀況，記錄膜面、格網污染物的分布情況，并可通過外觀觀察、染色實驗、電子光譜化學分析等手段判斷膜面是否存在物理損傷、化學氧化等情況。

1.3 污染物分析

從膜片上收集污染物，并進行成分分析，可具體掌握膜系統污染的類型。

操作步驟如下：

（1） 進行燒失量實驗，根據灼燒前后重量的變化情況來計算污染物中有機、無機的比例，以判斷是哪一種類型的污染。

（2） 通過X 射線熒光光譜法（XRF）、X 射線衍射光譜法（XRD） 分析各元素的種類和含量，以此確定無機污染物的主要成分。

（3） 將傅里葉變換紅外光譜法（FTIR） 和氣相色譜- 質譜聯用儀（GC-MS） 結合使用，可對污染物化學物種進行表征和鑒別，以得到膜污染物中有機物組成的相關信息。

2 常用清洗方式

膜清洗操作中存在多種清洗方式，如物理清洗和化學清洗、在線清洗和離線清洗等，不同的清洗方式各有優劣，適用的條件也不盡相同，因此，在實際操作時，應根據污堵的情況選用最優的清洗方式。

2.1 物理清洗和化學清洗

膜清洗方式主要包括物理清洗和化學清洗2 種方法。

（1） 物理清洗是利用水或空氣沖洗膜面。這種方法對污染較輕的膜有效，優勢在于對膜不發生反應，基本沒有破壞作用，但清洗效果有限。

（2） 化學清洗是利用各類藥品與膜污染物發生化學反應，具有作用強烈、反應迅速的特點，實際應用中基本采用此類方式對膜進行清洗。

清洗的目的是恢復膜元件的性能，因此，在清洗過程中，應將這2 種方法靈活結合。

例如，在膜元件污堵嚴重時，可通過分段清洗、反向清洗、延長浸泡時間等物理手段強化化學清洗的效果。

2.2 在線清洗和離線清洗

（1） 在線清洗是一種將膜元件放置在裝置膜殼內，膜系統由運行模式直接切換至清洗模式而進行的化學清洗。

在線清洗操作簡便、工作量小，在膜系統實際運行中，一般都采用該清洗方式。但在線清洗時，前端膜洗下的污染物會隨清洗液流至下游，可能會對后端膜元件造成交叉污染，因此，在線清洗時最好分段進行清洗。

（2） 離線清洗是將膜元件從膜裝置中取出，再裝入到獨立的清洗裝置進行清洗的方式。

離線清洗可對系統中某只或某幾只膜元件進行針對性的清洗處理，也可用來比較不同清洗配方的效果，檢驗清洗方案的有效性。離線清洗操作彈性大，對膜裝置影響較小，缺點是清洗效率低、拆裝膜工作量較大。

3 常用清洗藥劑作用機理

針對膜系統不同的污染類型，常用的清洗劑有酸、堿、表面活性劑、螯合劑等。為保證清洗效果，控制清洗成本，應綜合考慮膜自身的性能及具體的污染情況來選擇合適的清洗藥劑。

3.1 酸性清洗劑

酸性清洗劑主要分為無機酸與有機酸兩類，膜清洗中常用的幾類酸清洗劑作用機理及缺點見表1。

表1 常用酸性清洗劑匯總Table 1 Summary of common acid detergents

3.2 堿性清洗劑

因價格適宜，適用范圍廣，氫氧化鈉已成為使用最多的堿洗清洗劑，去除膜上污染物的作用機理是對有機物產生氧化作用。

氨水與檸檬酸等形成對污染物具有較好螯合作用的檸檬酸銨，可有效提升清洗效果，也常被用來調節清洗液的pH 值。

3.3 表面活性劑

常用的表面活性劑有十二烷基硫酸鈉（Na-SDS）、十二烷基磺酸鈉（SDS）、十二烷基苯磺酸鈉（MSDS）、脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO） 等。表面活性劑具有較強的親水性，可促進清洗液與污染物充分接觸，提高有機物在清洗液中的可溶性，增強清洗效果。由于陽離子型表面活性劑會對膜造成不可恢復的通量損失，因此，一般選擇陰離子表面活性劑或非離子型表面活性劑，禁止使用陽離子型表面活性劑。

3.4 螯合劑

常用的螯合劑有多聚磷酸鈉、EDTA、檸檬酸等，螯合劑不但可以直接與膜表面污染物發生反應，且會使清洗劑中有效組分與污染物雙向對接轉移，最終使膜上頑固的污染層轉為疏松，隨清洗液或沖洗水循環流動時被沖下。

3.5 殺菌劑

亞硫酸氫鈉（NaHSO3） 是最常用的殺菌劑，反滲透膜系統停車較長時間時，為防止細菌滋生，通常會往膜殼中注入1% NaHSO3溶液進行封存。非氧化性殺菌劑異噻唑啉酮對膜的損傷小，殺菌效率高，也被廣泛使用。

4 不同水處理領域清洗配方研究成果

周偉生采用有機酸、鹽酸、小分子磷酸鹽、氨基梭酸、表面活性劑等按一定比例復合，制成了對鈣垢和金屬污染物具有較好去除作用的酸性清洗劑TSM-3；采用三聚磷酸鈉、氨基多梭酸鈉鹽、金屬絡合劑、表面活性劑等按一定比例復合，制成了對生物黏泥、有機污物具有極佳清洗剝離作用得堿性清洗劑TEM-4。

對所有膜進行酸堿搭配離線清洗后，再安裝上設備進行運行，膜通量達到了工藝要求，解決了現場問題。

張偉研制了DLJD-01 和DLJD-02 清洗劑。DLJD-01 是由檸檬酸、鹽酸、小分子磷酸鹽、氨基梭酸、AEO-9（脂肪醇聚氧乙烯醚） 等按一定比例復合而成，對鈣垢和金屬污染物具有較好的去除作用，去除率可達98%。DLJD-02 是由三聚磷酸鈉、氨基多梭酸鈉鹽、金屬離子絡合劑、十二烷基磺酸鈉、氫氧化鈉等按一定比例復合而成，對有機污物和膠體具有極佳的清洗效果。試驗所用的污染膜經DLJD-01 和DLJD-02 聯合清洗后，通量恢復＞95%。

崔加宏公布了一種用于反滲透膜在無機鹽污染后的化學清洗藥劑配方，該配方為1.5%EDTA-4Na、2.5%三聚磷酸鈉、10% ～15%氯化鈉及0.5%十二烷基苯磺酸鈉進行復配而成，并用氫氧化鈉調節pH 值為11.5，反應溫度為40 ℃～45 ℃。

該清洗方法有效地解決了膜系統在無機鹽污染后的清洗難題，在嚴重污堵的情況下，也能通過二次配制清洗液，采用再次清洗的方法完全恢復膜的性能。

針對污染物成分主要為硫酸鈣垢的某電廠反滲透系統，張鑫通過試驗發現酸洗+堿洗+酸洗的清洗過程可較好的去除污堵物，且最佳的控制條件是酸洗采用濃度為0.3%的鹽酸溶液，堿洗采用2.5%碳酸鈉+2% EDTA-4Na，溫度控制在35 ℃。通過化學清洗，該電廠的反滲透系統一段壓差平均降低了11.1%，二段壓差降低了33.3%，產水量升高了14%。

曹政公開了一種可以應用于水質復雜、污染物含量高的工業廢水反滲透膜化學清洗方法，包括堿洗環節和酸洗環節2 個環節。堿性藥劑組分包括氫氧化鈉、十二烷基苯磺酸鈉和多聚磷酸鈉，堿性藥劑pH 值為11～11.5；酸洗藥劑組分包括檸檬酸和氨水，酸洗藥劑pH 值為2.5～3。該反滲透膜化學清洗法不僅提高了清洗效果和效率，且降低了清洗頻率和清洗藥劑用量，同時延長了反滲透膜的使用周期。

廣州某公司垃圾滲濾液污堵后的卷式反滲透膜主要為有機污染物，席照磊以0.85%檸檬酸、0.15%十二烷基硫酸鈉、5 ml/L 乙醇、3 g/L 氯化鈉、2 g/L 聚丙烯酸和氨水配制成清洗劑，清洗過后通量增加了18%。

馬曉東針對以鈣、鎂、鈦、鐵、硅等無機鹽和含碳類有機物為主要污染物質的反滲透膜，通過化學清洗正交實驗研究，將0.2%鹽酸、2%檸檬酸、1%草酸、脂肪醇聚氧乙烯醚混合復配作為酸洗清洗配方，將0.2%氫氧化鈉、2%EDTA、0.01%三聚磷酸鈉、聚乙二醇辛基苯基醚復配作為堿洗配方，酸洗配合堿洗，可以使反滲透膜通量提升至78%。

林帥將檸檬酸、低濃度鹽酸、脂肪醇聚氧乙烯醚、氨基梭酸和12%硫酸溶液按照1∶2∶3∶1∶1的體積比進行混合，并摻入一定量的表面活性劑，得到了pH 值為2 ～3 的酸性清洗液；以三聚磷酸鈉、十二烷基磺酸鈉、金屬絡合劑按照1∶2∶3 的體積比進行混合，并以表面活性劑作為催發劑，得到了pH 值為13 ～15 的堿性清洗液。通過實驗發現，先堿洗后酸洗再堿洗的清洗組合方式，對反滲透膜清洗效果最好。

譚斌提供了一種對環境友好、污染小的膜清洗藥劑組合物的制備方法。該膜清洗藥劑組合物主要采用螯合劑、堿、復合酶、酶活性保持劑、活性劑和水等原料制成，通過上述原料配合，該膜清洗藥劑組合物清洗性能優越，對微生物、有機物、油類等多種復合污染物具有良好的清洗效果，可有效恢復膜元件通量，延長膜污堵的清洗周期。

5 結 語

實際應用中不存在任何一種萬能的膜清洗方案，應根據自身膜系統實際的污染類型研判結果制定靶向的清洗方案，才能獲得最佳的清洗效果。

清洗方案制定過程中，應積極嘗試酸、堿、活性劑、螯合劑等多種藥劑耦合的復配試驗，不同藥劑的互補激發，對污染物去除效果可能更徹底。

此外，將物理清洗與化學清洗靈活聯用，也是提升膜清洗效果的有效手段。