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膜分離技術(shù)是指用天然或人工合成的高分子薄膜、無機(jī)膜，以外界能量或化學(xué)位差（如壓力差、濃度差、電位差）為推動(dòng)力，對(duì)雙組分或多組分的溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分級(jí)、分離、提純、富集的方法。膜分離技術(shù)應(yīng)用在食品工業(yè)中始于20世紀(jì)60年代末，首先從乳品加工和啤酒無菌過濾開始。由于膜分離過程不需要加熱，可防止熱敏物質(zhì)失活，無相變，集分離、濃縮、提純、殺菌為一體，具有分離效果高、操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，因此在食品工業(yè)中應(yīng)用范圍越來越廣泛，如食品工業(yè)中的水處理、低度酒澄清、果汁和茶汁的濃縮、乳清蛋白和蛋白酶的分離、谷氨酸的濃縮等領(lǐng)域，發(fā)展相當(dāng)迅速。

    膜分離技術(shù)根據(jù)截留的組分不同，通常分為微濾、超濾、納濾、反滲透、滲析、電滲析、氣體分離、滲透氣化等。在食品工業(yè)中已應(yīng)用的膜分離過程有超濾、電滲析、反滲透、微濾和納濾，其中以微濾、超濾和反滲透3種應(yīng)用最廣。在使用過程中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，膜會(huì)發(fā)生污染現(xiàn)象，導(dǎo)致膜的滲透通量及截留率等性能發(fā)生改變，使用壽命縮短，極大地阻礙了膜分離技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。因此，分析膜污染的原因以及采取相應(yīng)的清洗措施和防治對(duì)策使膜性能得到部分恢復(fù)或完全恢復(fù)十分必要。膜污染分析及膜污染清洗的研究已成為目前膜分離技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

    1膜污染的機(jī)理關(guān)于膜污染的機(jī)理現(xiàn)今說法不一，但造成膜污染主要原因有兩個(gè)：膜表面吸附溶質(zhì)（尤其是大分子）形成的膜污染與濃差極化的影響。膜污染是指處理物料中的微粒、膠體顆粒以及溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理、化學(xué)或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附和沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量及膜的分離特性產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。料液中的組分在膜表面沉積形成的污染層將增加膜過程的阻力，該阻力可能遠(yuǎn)大于膜本身的阻力；組分在膜孔中沉積將造成膜孔的減小乃至堵塞。對(duì)膜污染而言，往往具有不可逆性。而濃差極化則是膜表面局部濃度增加引起邊界層流體阻力增加，導(dǎo)致傳質(zhì)推動(dòng)力下降的現(xiàn)象。這種影響具有可逆性，可通過降低料液濃度或改善膜面附近料液側(cè)的流體力學(xué)條件如提高流速、采用湍流促進(jìn)器和設(shè)計(jì)合理的流道結(jié)構(gòu)等方法來減小濃差極化的影響。這兩者雖然概念不同，但密切相關(guān)，常常同時(shí)發(fā)生，許多場(chǎng)合下正是濃差極化導(dǎo)致了膜污染。

    2膜受污染的標(biāo)志隨著膜運(yùn)行時(shí)間的增加，膜的通量會(huì)逐漸降低，實(shí)際截留污染物的相對(duì)分子質(zhì)量下降變小，運(yùn)行壓力上升。當(dāng)膜污染嚴(yán)重時(shí)將使分離過程無法正常進(jìn)行，必須對(duì)污染膜進(jìn)行清洗以確保分離過程的正常運(yùn)行。膜受到污染的明顯特點(diǎn)是：?jiǎn)挝幻娣e遷移水速率逐步下降（膜通量下降）；通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大（進(jìn)料壓力和△P逐漸增大）；膜對(duì)溶解于水中物質(zhì)的透過性逐漸增大（礦物截流率下降）。

    3影響膜污染的主要因素3.1膜的性質(zhì)膜的性質(zhì)包括孔徑大小、膜的材質(zhì)、孔隙率、粗糙度、疏水性等，這些都會(huì)直接影響膜污染。對(duì)膜孔徑的選擇，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為在能夠滿足截留效果的前提下應(yīng)盡量選擇較大孔徑的膜，應(yīng)根據(jù)所處理物料的特點(diǎn)及所要達(dá)到的截留率來確定。對(duì)較大孔徑的膜，盡管其初始通量較大，但通量衰減較快，易受到膜污染。因此對(duì)膜孔徑的選擇應(yīng)比要求截留的分子質(zhì)量要小，這樣能獲得較好的處理效果，還可減少溶質(zhì)在膜孔上的吸附和堵塞所造成的污染。但孔徑越小，流體阻力越大，通量越小。因此實(shí)際操作過程中還要綜合考慮兩者的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)來確定合適的膜孔徑。

    膜對(duì)污水中固體微粒、膠體吸附能力的大小與膜材料的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，常采用的膜材料有陶瓷和聚合物。陶瓷膜具有很好的機(jī)械性能，壽命長(zhǎng)，但由于其制造成本較高，實(shí)際使用較多的是聚合物膜。抗污染性較好的膜有聚乙烯膜（PE）、聚丙烯纖維膜（PP）、聚丙烯腈纖維膜（PAN）等。膜材料的憎水性對(duì)膜污染有很重要的影響，ChangIS等比較了憎水性超濾膜和親水性超濾膜，得出憎水性超濾膜膜面更容易吸附溶解性物質(zhì)，表現(xiàn)出更大的污染趨勢(shì)。對(duì)于疏水性膜，在膜組件投入運(yùn)行前，可以通過化學(xué)改性進(jìn)行親水處理，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性膜，以強(qiáng)化其抗污染能力。使用表面活性劑或可溶性高聚物的靜態(tài)吸附作為一種較經(jīng)濟(jì)的方法可得到相同的膜表面修飾，其原理是由于這些非離子表面活性劑和高聚物會(huì)在膜表面形成厚的致密親水層而使通量得到改善。此外，膜污染程度還與膜孔隙率、表面粗糙度及膜表面荷電性等有關(guān)。

    3.2原料液的預(yù)處理預(yù)處理是指在原料液過濾前向其中加入適當(dāng)?shù)乃巹┮愿淖兞弦夯蛉苜|(zhì)的性質(zhì)，或?qū)ζ溥M(jìn)行絮凝、過濾以去除一些較大的懸浮粒子或膠狀物質(zhì)，或者調(diào)整料液的pH值以去除給膜帶來污染的物質(zhì)，從而減輕膜過程的負(fù)荷和污染，提高過濾通量。恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理有助于降低膜污染，提高滲透通量和膜的截留性能。采用預(yù)處理方法時(shí)，應(yīng)根據(jù)料液的性質(zhì)以及膜材的性質(zhì)來選擇處理方法。對(duì)含難溶鹽的料液可采用預(yù)沉、加化學(xué)阻垢劑或分散劑等方法；在高黏度料液的過濾中，加入適當(dāng)?shù)乃巹┮越档土弦旱酿ざ龋纳破淞鲃?dòng)性能，提高過濾效果；對(duì)含懸浮微粒或膠狀物的料液可采用砂濾、微濾或加混凝劑、絮凝劑等方法；對(duì)富含微生物的料液可添加殺菌劑或先進(jìn)行紫外線殺菌以免微生物對(duì)膜的污染和侵蝕。

    3.3操作方面的因素3.3.1操作壓力操作壓力是影響膜污染的重要因素。壓力與料液流速對(duì)膜透水率的影響通常是相互關(guān)聯(lián)的。當(dāng)流速一定且濃差極化不明顯時(shí)，膜的透水率隨壓力增加近似直線增加。濃差極化起作用后，壓力增加，透水率提高，濃差極化隨之嚴(yán)重，使透水率隨壓力增加脫離線性關(guān)系。壓力增加到一定值后，濃差極化使膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到極限濃度，溶質(zhì)在膜表面開始析出形成凝膠層。此時(shí)，凝膠層阻力對(duì)膜的透水率影響起決定作用，透水率幾乎不依賴壓力，當(dāng)料液中溶質(zhì)濃度降低或料液流速提高時(shí)，可以升高達(dá)極限濃度的壓力，透水率也提高。

    因此要選擇合適的壓力與料液流速，以保證得到最佳透水率的同時(shí)避免凝膠層的形成。

    3.3.2料液流速膜面料液的流動(dòng)狀態(tài)、流速的大小都會(huì)影響膜污染。料液的流速越大則料液的流速或剪切力也越大，而剪切力可影響垢層的厚度。料液間剪切的存在，可以使垢層物質(zhì)分子產(chǎn)生擴(kuò)散，使垢層厚度逐漸減小，有利于降低濃差極化層和膜表面沉積層，使膜污染降低，從而增大過濾速度。適當(dāng)提高料液流速，增加湍流程度可以抑制膜污染。可采取的措施如下：進(jìn)行膜面攪拌即裝設(shè)湍流促進(jìn)器、插入隔片、用小攪拌槳在膜面附近攪拌等方法；對(duì)于管狀組件，可在管中放置一些小球狀物，也可以制成凹凸面平膜的方法增加湍流程度；對(duì)旋轉(zhuǎn)式膜組件提高膜轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使膜面高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的高剪切力可減少垢層的堆積。

    3.3.3操作條件的優(yōu)化操作條件的優(yōu)化包括控制初始滲透通量，反向放置微孔膜，利用高分子溶液的流變特性及脈動(dòng)流操作和鼓泡操作，采用兩相流操作、離心操作、電超濾、電納濾、振動(dòng)膜組件和超聲波輻射等。

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