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      RO膜的有孔無孔之爭與過濾模型

      來源:北極星環保網 時間:2021-06-18 瀏覽量:17

      北極星水處理網訊:反滲透(RO)膜作為污染物截留效率最高的過濾膜,其微觀結構及過濾機理一直是研究的熱點。那么,RO膜究竟是有孔膜還是無孔膜?對于這一問題的認知和回答將直接影響對RO膜過濾機理的認識。隨著技術手段的進步以及對RO膜微觀結構的深入解析,上述問題的答案也在不斷發生改變。

      對RO膜過濾機理及其微觀結構的研究,最早起步于上世紀50年代。早在1958年,Kedem等研究者就提出了用于描述RO過濾過程的表觀現象模型。該模型只從表觀現象層面進行分析,將膜表面分為清潔與污堵兩部分,模型假設過于理想,也并未涉及RO膜的結構,與實際的復雜情況相去甚遠。

      隨著研究的深入,RO膜孔的問題在1965年首次被關注。Lonsdale等人認為RO膜的功能層是致密無孔的結構,并基于此提出首個RO膜過濾的機理模型:溶解-擴散模型(Solution-diffusion model,SDM),溶質和溶劑在化學位差的推動下以擴散的形式穿過RO膜。隨后,Sherwood修正了該模型,他認為RO膜表面并非絕對的致密無孔,而是存在一些“孔”結構。但此次修正僅僅將這些“孔”視為膜表面的缺陷,仍然忽略了膜的精細結構對膜性能的影響,也并不認為理想的RO膜是有孔結構。

      1970年,RO膜首次被認定為有孔膜。Sourirajan基于有孔膜假設提出優先吸附-毛細孔流模型(Preferention sorption-capillary flow model,PSCFM)。該模型認為RO膜面的孔徑是在時刻變化的,膜孔可以對進水中的不同組分選擇透過,從而達到分離作用。這為RO膜的研究提供了一種新思路,即可結合有孔膜的過濾定律——達西定律(Darcy’s Law)描述RO膜過濾過程。

      雖然后續關于RO膜過濾機理的研究大多是基于PSCFM的假設(即RO膜有孔),但RO膜的有孔結構一直未被直接證實。直到2011年,Chen等人利用新型陽電子湮滅技術(Positron Annihilation Techniques)首次證實了RO膜為有孔膜。緊接著,Jonathan等人在2014年利用新型儀器納米高滲儀,通過納米滲透法(nanopermporometry,NPP)對RO膜的孔徑進行了測定,并將測定結果與根據歸一化Knudsen滲透率(Normalized Knudsen-based permeance,NKP)和陽電子衰減譜圖(positron annihilation lifetime spectroscopy,PALS)估算得出的孔徑進行定量比較。該研究測算出RO膜的孔徑大多在0.2-0.6 nm左右,且證實了不同的RO膜合成方法將影響膜孔徑大小。Hideaki等人也利用陽電子湮滅技術測得的陽電子衰減譜圖(positron annihilation lifetime spectroscopy),計算出RO膜孔徑在0.6-0.7 nm左右并在不斷變化,且發現操作壓力對膜孔徑有一定影響。

      由于新儀器的開發與新技術的應用,RO膜的有孔結構也逐漸成為新的共識。這也意味著,對于RO膜過濾過程的研究,進入了一個嶄新的階段;谏鲜鲅芯砍晒,清華大學環境學院胡洪營教授團隊研究證明了原本被認為僅適用于微濾、超濾等有孔膜過濾過程的中間堵塞模型(intermediate blocking model),同樣能夠準確描述不同有機物在各種操作條件下的RO膜污堵行為,且可量化有機物的污堵潛勢。在此基礎上,提出了RO膜通量預測模型,從而實現了利用污染物濃度準確預測其RO膜污堵行為的目標,解決了膜通量預測難題。

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