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膜污染的機理分析

2012-02-24

  膜污染的機理分析

  大多數此類污染是可以通過合理的清洗工藝消除。其中物理因素有:凝膠層形成和濃差極化,隨著截留物的不斷積累,凝膠層的厚度和密度均有不同程度的增加,膜的工作負荷也會增加。

  膜污染的機理分析

  膜系統在運行過程中不可避免地受到料液、清洗劑以及微生物的污染,這種污染不僅僅表現在膜暫時性的通量下降,更主要地表現在永久性的膜有效通透面積的下降、膜運行性能的變化(包括截留分子量的變化以及膜完整性的破損)。膜污染所造成的負面影響也不僅僅局限于膜耗材的增加以及經濟運行的成本,有時其污染的不規律造成生產工藝中各個工段設備的產能不匹配等工藝內耗問題給終端企業帶來的損失更大。

  從膜的污染類型來看主要分為無機污染、有機污染以及生物污染,其中每種污染類型中均有物理、化學以及微生物因素:

  1.無機污染

  無機污染主要包括鈣、鎂、硅、磷等無機鹽晶體結構造成膜表面以及膜孔徑內部的堵塞,這種污染主要表現為膜的永久性通透面積的下降,對膜系統的運行造成的負面影響是不可逆轉的。其中物理因素有:結晶析出,料液、沖洗水以及不合理的清洗劑中的有些金屬離子在膜運行過程中的部分微孔界面上,微觀濃度超過其飽和濃度即會產生結晶析出,由于濃差極化的存在,結晶析出一般發生在近膜表面。因此沖洗水的水質條件、清洗劑的粘度,過水性能以及清洗劑和料液污垢接觸條件等都決定了可結晶金屬離子的殘留和無機垢的形成速度和形成體積;瘜W因素有:鈣、鎂離子料液或沖洗水中的任何存在形式包括有機存在形式均會不同程度地在幾乎無沖刷機械力的膜孔內部殘留,傳統清洗使用的原料堿由于其粘度高、過水性差,加上一般的清洗時間較長,這為鈣、鎂離子和活性堿在微觀結構內反應生成鈣、鎂碳酸鹽晶體結構提供了充分的條件。這類晶體如果形成在膜孔內部,會造成膜孔堵塞,且由于此類晶體與膜材料的結合非常緊密,除非特殊手段一般很難再生。生物因素:滋生于膜表面的大量微生物在代謝的過程中往往容易將溶液中的部分礦物質固化于微生物接觸表面,如大多數霉斑均是固定在自身代謝產生的礦化層表面。因此微生物在膜表面的生長對膜污染的影響是嚴重的,很多對微生物指標沒有要求的石化領域,膜的污染主要因素也是微生物,更何況食品、制藥等微生物敏感行業。

  2.有機污染

  有機污染主要包括蛋白質、多糖、油脂及其聚合物在膜表面形成的致密物,造成膜表面以及膜孔徑的堵塞,這種污染主要表現多數為膜的暫時性通量的下降,對膜的負面影響有時是可逆的。大多數此類污染是可以通過合理的清洗工藝消除。其中物理因素有:凝膠層形成和濃差極化,隨著截留物的不斷積累,凝膠層的厚度和密度均有不同程度的增加,膜的工作負荷也會增加。當膜操作壓力控制不當或膜材料質量不佳時,往往會造成膜的破損和流道的堵塞。因此清洗劑的選擇以及濃度、溫度等操作參數的選擇都決定了有機污垢重新溶解和分散于清洗溶液中的速度和程度,也決定了清洗的效果;瘜W因素有:堿對蛋白質的溶解、酸造成蛋白質的沉降、以及蛋白變性等,高濃度酸對糖聚物的水解,醇類對聚糖類物質的醇沉均會造成膜表面的嚴重堵塞。傳統清洗使用的原料酸、堿由于其功能單一,對單一物質僅為簡單的溶解或者分散、且沒有滲透、螯合以及減低表面張力等作用,清洗效果較差。生物因素:膜表面的微生物在某些高酸高堿等比較強的理化作用下會產生保護自己的菌膜,這類菌膜為結構非常致密聚糖蛋白,有些在濕熱溫度攝氏140度條件下都不會破壞。因此微生物的菌膜在膜表面一旦形成,基本無法溶解和去除,對膜污染的影響是非常嚴重的,對此類污染只能以控制防治為主,對膜表面微生物的長期控制是唯一杜絕此類污染的手段。

  3.生物污染

  微生物代謝所產生的礦化物以及應激產生的菌膜所產生的污染均歸為無機污染和有機污染的微生物因素。此段落不再贅述。這里所說的生物污染主要是指活菌在其正常生理活動過程中產生的各種酶或中間體對有機膜的材料均有不同程度的破壞,一般來說膜材料的微生物兼容性都不好。很多產酸、產堿或者產硫化物的高產菌株在菌體局部的產物濃度都非常高,對膜材料的破壞也是長期的,這一點在最新的膜研究中均有發現,但是這也是國內很多膜推廣者所忽略的或者刻意回避的。

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