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亲水性对超滤膜性能影响

发布日期:2020-06-05


膜分离在物料浓缩、污水处理、中水回用方面发挥着日益重要的作用,提高水处理膜的渗透性能和抗污染性是研究者们努力追求的目标。影响膜性能的因素很多,包括表面粗糙度、荷电性、孔隙率、孔径分布、亲水性等。其中,亲水性对超滤膜渗透通量和抗污染性是息息相关的,下面就从原理上解释一下膜的亲水性如何影响渗透性和抗污染性。

PART 1膜亲水性对渗透性影响

研究表明,从微滤到反渗透应用的分离膜都应该具有良好的亲水性,以提高其润湿性,从而来获得尽可能高的水通量。亲水性往往采用接触角来衡量,接触角含义如图1所示。若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。


图1材料表面接触角示意图

很多研究人员在改善膜亲水性方面展开了大量工作,研究发现,膜材料存在一个本征参数—阈值压力,只有当跨膜压差超过此值时才能展现稳定的渗透性。亲水膜的阈值压力接近于零,在全压力范围内都可以被很好地被湿润,故在一定范围内膜的渗透通量与压力成正比。膜表面亲水性与阈值压力关系如图所示2。

图2膜表面亲疏水性与阈值压力大小关系

相比之下,强疏水的膜孔具有极高的阈值压力,在高压和低压下的润湿状态完全不同,导致极大的渗透性差异。一般疏水性超滤膜在干燥状态下是没有通量的,需要采用亲水性液体疏通产水通道,浸润孔壁,引导膜孔产水,这种亲水性液体通常用乙醇、异丙醇等物质。目前,一般TIPS法由于工艺因素限制,制备出的膜丝通常为疏水性膜丝,在使用前都需要采用润湿剂浸润后才能产水。一旦膜丝在使用中离开水导致膜丝干燥后,再次使用就需要润湿剂润湿,不然就无法正常产水。

PART 2膜亲水性对抗污染性影响

超滤膜在使用过程中,通量会逐渐降低,虽然清洗后,也无法恢复到初始状态,这是由于膜发生了污染。膜污染是指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子,由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的,在膜表面或膜孔内吸附、沉积,造成膜孔径变小或堵塞,使膜分离性能下降的现象。超滤膜的污染主要有两种情况:一种是附着,包括料液中悬浮物堆积于膜面(滤饼层)、有机物浓缩后粘附于膜面(凝胶层)以及胶体物质或微生物等吸附于膜面(吸附层);另一种是堵塞,即由上述料液中溶质等浓缩、结晶或沉淀至使膜孔而产生不同程度的堵塞。

通过了解膜污染原因,国内外研究者主要从两个方面进行研究,来缓解膜污染:一方面以降低膜面处大分子溶质沉积量为出发点,即减小膜表面物料的浓差极化现象,通过改变膜面附近流体流动状态,增大膜面附近流体的湍流程度,达到减少膜污染的目的;另一方面是以降低膜表面与溶质分子之间相互作用力为出发点,通过采用新型膜材料或者对现有膜及膜材料进行改性,增大膜面对溶质分子的排斥力,降低膜面对溶质分子的吸引力,达到抑制膜污染的目的。前者只能在一定程度上缓解膜污染,而不能够从根本上抑制膜污染;后者的出发点是降低膜表面与溶质分子之间的相互作用力,为从根本上抑制膜污染提供了可能。

超滤的亲水改性,就是降低膜表面与溶质分子间作用力的一种方法,主要由以下四方面解释:①亲水的膜表面覆盖有大量的水分子,当一些亲水的污染物质试图向表面运动时,就必须受到水分子“排斥”,使污染物到达膜表面的机会大大减少,抑制其吸附;②一些亲水剂的亲水集团有一定排斥体积,当污染物受到材料表面分子层的吸引向材料靠近时,亲水链端受到压迫导致构象熵减少,处于不稳定状态,要恢复到稳定状态,必然会污染物推出其排斥体积之外,远离材料表面;③亲水性的水溶性使材料与污染物液间的界面消失,从而消除材料表面对污染物的吸附力;④亲水性高分子刷内部具有较高的渗透压,可以对抗外来污染物的撞击,防止污染物在膜材料表面的吸附。

PART 3易膜超滤膜亲水性

易膜超滤膜采用专利的亲水改性技术,采用两亲性共聚物改性,膜丝具有优异的亲水性,表现较大的通量和良好的抗污染性。易膜超滤膜丝的接触角为60.4±3°,故具有很低的阈值压力,容易被水浸润。在相同污染条件下与其他品牌膜丝测试效果对比如图3,易膜超滤膜通量虽有衰减,但依然很大,在简单反清洗后,通量可以基本恢复到初始水平,表明易膜超滤膜具有优异的抗污染能力。

3易膜超滤膜丝与其他品牌超滤膜性能对比图

4易膜超滤膜丝图片

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