膜蒸餾是一種以疏水微孔膜為分離介質(zhì)，膜兩側(cè)蒸汽壓差為傳熱和傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離技術(shù)。根據(jù)膜蒸餾過程中滲透側(cè)蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸餾可分為直接接觸式膜蒸餾（DCMD）、氣隙式膜蒸餾（AGMD）、真空膜蒸餾（VMD）和掃氣式膜蒸餾（SGMD）4種類型，其中，DCMD兩側(cè)溶液與膜直接接觸，具有結(jié)構(gòu)簡單、膜通量大、熱損失大等特點(diǎn)，可用于海水脫鹽、有機(jī)發(fā)酵廢水處理等；AGMD中，冷凝面與膜表面間存在停滯空氣隙，蒸汽穿過空氣隙會在冷凝面上冷凝，可應(yīng)用于分離揮發(fā)性物質(zhì)、富集水中同位素等；VMD具有較低的熱損、較高的膜通量且不易出現(xiàn)溫度極化等特點(diǎn)，可用于濃海水處理、焦化廢水處理等；SGMD具有膜表面疏水性良好、溫度極化較小等特點(diǎn)，可用于海水淡化等。另外，相較于微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）和反滲透（RO）等傳統(tǒng)膜分離技術(shù)，膜蒸餾具有以下優(yōu)點(diǎn)：①理論上能完全分離大分子、膠體、離子及其他非揮發(fā)性物質(zhì)；②操作壓力低；③較傳統(tǒng)的蒸餾操作溫度低；④成本低且節(jié)能。

然而，膜蒸餾過程和其他膜分離過程一樣，污水中存在的有機(jī)物、無機(jī)物及微生物等污染物黏附在膜表面上或膜孔內(nèi)，導(dǎo)致膜滲透通量下降以及膜表面及膜孔污垢積累等膜污染問題，進(jìn)而降低膜蒸餾性能。除此之外，當(dāng)顆粒污垢在膜表面和膜孔內(nèi)積聚，且膜滲透側(cè)壓力低于進(jìn)料側(cè)壓力時(shí)，膜蒸餾過程會發(fā)生膜潤濕現(xiàn)象。即在膜表面和膜孔間形成鹽水通道，進(jìn)料液作為液體流入滲透側(cè)，降低系統(tǒng)截鹽率。因此，為使膜蒸餾過程高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，減緩膜污染尤其重要。

目前，減緩膜蒸餾過程中膜污染的研究主要有開發(fā)功能膜、預(yù)處理進(jìn)料液以及膜清洗三大類。其中，功能膜制備過程復(fù)雜，工業(yè)化大規(guī)模制備較困難，嚴(yán)重限制其在膜蒸餾上的應(yīng)用。相比較而言，預(yù)處理進(jìn)料液和膜清洗技術(shù)更具可行性和可操作性。因此，分別概述膜蒸餾過程中膜污染的機(jī)制、膜污染物組成以及膜污染影響因素，然后重點(diǎn)討論預(yù)處理和膜清洗兩種膜污染減緩策略在膜蒸餾領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以期對膜蒸餾過程緩解膜污染的研究提供參考。

1、膜蒸餾過程中膜污染的成因及機(jī)理

1.1 膜污染形成機(jī)理

膜蒸餾過程中的膜污染是指當(dāng)水在膜面上蒸發(fā)時(shí)，溶液中的各種污染物可吸附、沉積在膜表面或進(jìn)入膜孔，從而造成膜表面結(jié)垢或膜孔變窄、堵塞，最終使鹽截留率和膜滲透通量下降的現(xiàn)象。在該情況下，膜表面污垢層提供了額外的熱阻，導(dǎo)致進(jìn)料側(cè)膜表面溫度下降，從而降低了蒸汽壓差，即降低了膜蒸餾過程中蒸汽過膜的驅(qū)動力。膜蒸餾過程中驅(qū)動力（Δp）可表示如下：

式中：afm、apm分別為進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)水分活度；p0fm、p0pm分別為進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)中純組分（水）的飽和蒸汽壓，kPa。

蒸汽壓值來源于進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)邊界層的溫度，此溫度與系統(tǒng)整體溫度不同，系統(tǒng)的整體溫度由溫度極化系數(shù)（TPC）決定。TPC計(jì)算公式如下：

式中：Tf、Tp分別為進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)的整體溫度，K；Tfm、Tpm分別為進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)膜表面的溫度，K。

Tfm值的變化不僅取決于膜表面污垢層厚度（SFL），同時(shí)還取決于污垢層的傳熱系數(shù)（λFL），具體計(jì)算公式如下：

式中：Sm為膜厚度，μm；hF、hP分別為進(jìn)料側(cè)和滲透側(cè)對流傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；λm為膜傳熱系數(shù)，W/（m·K）；J為滲透通量，L/（m2·h）；ΔH為蒸發(fā)熱，kJ/mol。

通常污垢層的λFL值很小，因此對于高傳熱系數(shù)h，只要形成污垢層就會使Tfm減小，進(jìn)而降低膜滲透通量。因此，減緩膜污染對延緩膜蒸餾過程滲透通量下降和提高廢水處理效率具有重要意義。

1.2 膜污染的分類

根據(jù)污染物的組成，膜污染可分為無機(jī)污染、有機(jī)污染和生物污染三種。不同膜污染類型形成的污垢層具有不同的傳熱系數(shù)，對于有相似厚度的污垢層，不同膜污染類型對滲透通量的影響也不同。因此，精準(zhǔn)區(qū)分膜污染類型有助于發(fā)展和運(yùn)用針對性的防污策略。

1.2.1 無機(jī)污染

無機(jī)污染導(dǎo)致的膜結(jié)垢是固體無機(jī)化合物由于濃差極化作用而在膜表面或膜孔中富集的現(xiàn)象。根據(jù)膜蒸餾過程中膜無機(jī)污染形成的一般步驟，當(dāng)無機(jī)鹽富集濃度超過其溶解限度后，進(jìn)料液呈過飽和狀態(tài)，此時(shí)有限數(shù)量的離子、原子或分子開始相互吸引并形成晶體，而后晶體通過重力沉降進(jìn)入膜孔或沉積在膜表面形成污垢層。此外，無機(jī)污垢層的形成還會使溶液過膜效率比單獨(dú)因熱阻增加引起的效率下降更快。為了減少膜結(jié)垢和膜潤濕對膜蒸餾過程的影響，可采用投加阻垢劑、過濾、混凝等預(yù)處理方法及水洗、曝氣、振動、酸洗等清洗方法。

1.2.2 有機(jī)污染

有機(jī)污染是由膠體態(tài)或溶解態(tài)有機(jī)物通過靜電力、親和力及疏水作用在膜表面上吸附、沉積引起的污染。常見的有機(jī)污染物主要有多糖、腐殖酸、蛋白質(zhì)及其他天然有機(jī)物（NOM）等，其主要污染行為如下：①堵塞膜孔。污染物直接吸附在膜孔中，導(dǎo)致膜孔變窄或堵塞。②形成凝膠層。污染物在膜表面形成污垢層以堵塞膜孔。③形成濾餅層。污染物在膜表面形成低滲透性的污垢層。

1.2.3 生物污染

生物污染主要指細(xì)菌、微生物及其代謝產(chǎn)生的大分子在膜表面上積累和繁殖的過程。生物污垢對膜的影響與有機(jī)污垢類似，主要有兩種影響機(jī)制：①潤濕膜孔，一些顆粒物會通過膜孔污染滲透側(cè)水質(zhì)；②堵塞膜孔，增加傳質(zhì)阻力，導(dǎo)致滲透通量下降。此外，在實(shí)際的膜蒸餾過程中，進(jìn)料液通常不止一種污染物，如還存在礦物鹽、膠體物質(zhì)、有機(jī)物和微生物，它們之間往往具有協(xié)同作用。

1.3 膜污染的影響因素

膜污染是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，了解膜污染行為是緩解膜上污垢層形成的必要條件。其中，影響膜蒸餾過程中膜污染的因素主要有污染物特性、膜特性及操作條件三類。

1.3.1 污染物特性

污染物的濃度、分子大小、溶解度、堿度、擴(kuò)散率及親疏水性等決定著膜蒸餾過程膜污染的程度。例如，溶解度低的CaCO3和CaSO4等無機(jī)鹽類直接沉積在膜表面上可使膜表面結(jié)垢，從而引起膜污染。此外，由于膜蒸餾過程采用的膜為疏水膜，因此疏水性的腐殖酸類物質(zhì)也易吸附在膜表面上而形成沉積，從而導(dǎo)致膜污染。

1.3.2 膜特性

膜特性主要體現(xiàn)在膜的材料、孔徑、厚度、疏水性以及表面粗糙度等方面，較小的膜孔徑所對應(yīng)的污染物截留率較高，但孔徑較小往往更容易造成膜污染和膜潤濕。因此在對膜蒸餾過程膜的選擇方面，應(yīng)在滿足截留要求的條件下，充分考慮膜孔徑等因素對系統(tǒng)通量及膜污染的影響。

1.3.3 操作條件

操作條件主要指過膜流量、水流速度及溶液溫度等。升高溶液溫度會使污垢粒徑逐漸減小，從而使膜污染作用發(fā)生相應(yīng)變化。在低溫時(shí)污垢層起主要作用，在中低溫時(shí)主要是污垢層和膜孔堵塞起作用。因此，在膜蒸餾運(yùn)行過程中，應(yīng)合理設(shè)置各項(xiàng)操作條件，并充分考慮操作條件對反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和膜污染的影響。

上述三種途徑對膜蒸餾過程中的膜污染有一定減緩效果，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)上述途徑存在明顯的局限性。例如，疏水性污染物也是膜蒸餾的重點(diǎn)研究方向，膜的選擇還應(yīng)考慮成本問題，操作條件調(diào)整較為復(fù)雜。相比之下，膜前預(yù)處理和膜清洗適用于所有膜蒸餾過程中膜污染的控制。

1.4 膜潤濕

大量研究證實(shí)，膜污染會加快膜蒸餾過程中膜表面的潤濕速率。因此，長期運(yùn)行過程中膜潤濕可在一定程度上反映膜污染的行為，且抑制膜潤濕的措施也具有減緩膜污染的作用。膜潤濕主要是指膜孔中的氣液界面從進(jìn)料側(cè)不斷向滲透側(cè)推移的過程，通常采用液體滲透壓力（LEP）來評價(jià)膜的抗?jié)櫇衲芰�，其�?jì)算表達(dá)式如下：

式中：B為膜孔的彎曲因子；γ1為液體的表面張力，mN/m；θ為潤濕液體在膜表面上的接觸角，（°）；rmax為膜的最大孔半徑，μm；Pf為進(jìn)料側(cè)壓力，Pa；Pp為滲透側(cè)壓力，Pa；ΔPinterface為進(jìn)料側(cè)與滲透側(cè)之間的壓力差，Pa。

由式（4）可知，LEP與膜表面疏水性成正比。當(dāng)膜表面或膜孔嚴(yán)重結(jié)垢時(shí)，污垢層會降低膜的接觸角并導(dǎo)致膜潤濕，進(jìn)而影響膜蒸餾過程的分離效果。此外，減小膜孔徑也可提高LEP，但會降低膜通量。因此，通常還是以提高膜表面疏水性來提高LEP，從而增強(qiáng)膜的長期抗?jié)櫇衲芰Α?/span>

基于對膜潤濕的認(rèn)識，可將緩解膜潤濕的策略分為制備抗?jié)櫇衲ず湍ふ麴s過程的控制。在制備抗?jié)櫇衲し矫�，研究主要集中在膜改性上。此類方法減緩膜潤濕效果顯著，但由于其操作過程復(fù)雜或需要特殊設(shè)備，因而在商業(yè)化應(yīng)用上受到限制。此外，在長期膜蒸餾運(yùn)行過程中，膜材料會受到進(jìn)料液中溶質(zhì)的污染，從而降低或喪失原膜的抗污染、抗?jié)櫇裥阅�。因此，在膜蒸餾運(yùn)行控制中，通常采用完善的預(yù)處理或膜清洗技術(shù)去除可能造成膜潤濕和膜結(jié)垢的污染物。

2、預(yù)處理技術(shù)

在膜蒸餾長期運(yùn)行中，嚴(yán)重的膜污染會導(dǎo)致滲透通量下降，加速膜潤濕，從而抑制膜蒸餾過程。因此，為了延長膜蒸餾過程的有效運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)提高膜的使用壽命，對膜蒸餾中的進(jìn)料液進(jìn)行預(yù)處理很有必要。

常見的預(yù)處理技術(shù)有混凝、膜過濾、吸附、高級氧化及投加阻垢劑，其作用機(jī)理、特性及能耗如表1所示。

2.1 混凝

混凝技術(shù)通過向溶液中投加混凝劑或絮凝劑以聚集水體中的各種小尺寸污染物，使污染物聚集形成較大絮凝體，從而降低膜表面和膜孔內(nèi)污垢形成的風(fēng)險(xiǎn)。因此，通常將混凝技術(shù)作為深度處理的預(yù)處理工藝來保證出水效果。

Cho等對實(shí)際頁巖氣廢水進(jìn)行絮凝預(yù)處理后，膜蒸餾過程通量下降14.7%，說明相對于27.7%的原廢水通量下降率，通過絮凝預(yù)處理能有效減少膜蒸餾過程中膜污染物的沉積。此外，Zhao等提出了一種氣浮絮凝/真空膜蒸餾耦合工藝，并探究了不同電性絮凝劑對預(yù)處理效果的影響。結(jié)果表明，當(dāng)分別投加12mg/L的聚丙烯酰胺和聚丙烯酸鈉時(shí)，系統(tǒng)對十二烷基苯磺酸鈉的去除率分別為65%和57%。此外，絮凝劑的加入能顯著延緩發(fā)生膜潤濕的時(shí)間，即能增加膜蒸餾過程的有效運(yùn)行時(shí)間。

值得注意的是，混凝具有選擇性，對于帶負(fù)電的疏水高分子有機(jī)物則易形成絮體；而對于親水性有機(jī)物則絮凝能力有限。此外，混凝過程產(chǎn)生的化學(xué)污泥可能會引起二次污染。因此，混凝預(yù)處理技術(shù)的應(yīng)用需嚴(yán)格關(guān)注混凝劑/絮凝劑的種類和投加量，這對膜蒸餾過程中的運(yùn)行效能及工藝成本都具有重要意義。

2.2 膜過濾

膜過濾是一種以壓力差為驅(qū)動力、以膜為分離介質(zhì)的液相分離過程，主要處理對象為膠體、微生物和懸浮顆粒等污染物。根據(jù)孔徑大小，可將膜過濾技術(shù)分為MF、UF、NF和RO。

Gryta等采用UF/膜蒸餾工藝處理艙底水的研究表明，經(jīng)UF和膜蒸餾處理后，艙底水的TOC和TDS去除率均可達(dá)99.5%以上，并且膜蒸餾過程的滲透側(cè)電導(dǎo)率均可保持在1.5~2.5μS/cm范圍內(nèi)。Karakulski等研究了NF預(yù)處理對膜蒸餾處理自來水的影響，結(jié)果表明，自來水經(jīng)NF/膜蒸餾處理后水回收率可達(dá)90%以上，且延緩了滲透通量的下降。此外，NF還可用于抑制膜蒸餾體系中難溶組分（如Mg2+、Ca2+等）在膜表面的積累。

由此可見，膜過濾作為預(yù)處理技術(shù)能夠根據(jù)粒徑大小特定分離溶液中的污染物，提高處理過程的整體穩(wěn)定性，進(jìn)而有效緩解膜蒸餾過程中的膜污染。然而，膜過濾技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。例如，膜過濾過程中使用的膜同樣會不可避免地發(fā)生膜污染，從而導(dǎo)致跨膜壓差增大或膜通量降低。因此，在選擇膜過濾作為預(yù)處理時(shí)，應(yīng)綜合考慮廢水的處理量、水質(zhì)特性及處理成本等因素。

2.3 吸附

吸附預(yù)處理主要通過采用高比表面積材料吸附水體中的重金屬、有機(jī)物等污染物，從而去除污染物并減緩膜污染。常用的吸附材料有活性炭、樹脂、磁性納米粒子、金屬氧化物等。

Zhang等用吸附-膜蒸餾相結(jié)合的方法對頁巖油氣采出水進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后膜蒸餾過程中膜可在3個(gè)連續(xù)處理周期內(nèi)重復(fù)利用。Xu等以活性焦吸附作為預(yù)處理方式，研究其對膜蒸餾處理煤氣化廢水過程中膜污染的影響，其中，單獨(dú)膜蒸餾的TOC含量僅下降50%左右，而經(jīng)過吸附預(yù)處理后，TOC的去除率可達(dá)85.9%。此外，預(yù)處理組還有效延緩了膜通量的下降。上述研究結(jié)果表明，吸附預(yù)處理對污染物的去除效果顯著，對膜表面結(jié)垢有良好的抑制作用。

綜上，吸附作為一種膜前預(yù)處理方式，在膜污染減緩及資源回收方面的發(fā)展前景非�？捎^。但值得注意的是，吸附預(yù)處理效果受到吸附劑特性、吸附時(shí)間、吸附劑投加量及投加方式的影響。這些因素控制不當(dāng)會影響預(yù)處理效率和膜污染減緩效果，甚至?xí)�使吸附劑在膜表面沉積，從而進(jìn)一步造成膜通量的下降。

2.4 高級氧化(AOPs)

AOPs的核心是向溶液中傳輸能量（熱能、電能或光能等）或投加化學(xué)試劑（O3和H2O2等），然后經(jīng)過一系列反應(yīng)破壞有機(jī)污染物的分子結(jié)構(gòu)，最終將有機(jī)污染物氧化為H2O、CO2和無機(jī)鹽等物質(zhì)。AOPs按其反應(yīng)條件和產(chǎn)生自由基的方式不同，主要分為Fenton氧化法、臭氧氧化法及電化學(xué)氧化法等。

Wang等研究了Fenton氧化法對膜蒸餾處理煤氣化鹽水的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)氧化顯著減少了膜表面的鹽結(jié)晶數(shù)量，提高了系統(tǒng)的滲透通量。這表明Fenton氧化可削弱無機(jī)離子與腐殖酸之間的相互作用，對緩解膜污染具有積極效應(yīng)。Chen等研究了電化學(xué)氧化法對膜蒸餾處理垃圾滲濾液的影響，發(fā)現(xiàn)預(yù)氧化2h內(nèi)進(jìn)料液中腐殖質(zhì)類物質(zhì)和芳香物質(zhì)的去除效果顯著。由此可見，采用電化學(xué)氧化可最大限度地減少有機(jī)污染物在膜表面的結(jié)垢。

AOPs作為膜蒸餾過程的預(yù)處理技術(shù)顯著提高了系統(tǒng)對污染物的去除率，并有效減緩了膜污染。然而，AOPs在實(shí)際應(yīng)用中仍存在局限性，如Fenton氧化法對溶液的pH要求較為嚴(yán)格。因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的AOPs來緩解膜蒸餾過程中的膜污染。

2.5 投加阻垢劑

阻垢劑是一種化學(xué)添加劑，通過與溶液中的溶解離子相互作用，吸附在晶體或晶核表面，從而抑制結(jié)晶生長和析出溶液。目前，在膜蒸餾脫鹽研究中，常用的阻垢劑有凝聚態(tài)聚磷酸鹽、聚電解質(zhì)和有機(jī)磷酸鹽。

Gryta等在處理地表水的DCMD過程中研究了投加聚磷酸鹽阻垢劑對CaCO3在DCMD過程中膜上結(jié)垢的影響，結(jié)果表明，當(dāng)溶液中投加阻垢劑濃度越高，抑制CaCO3在膜表面結(jié)垢的效果越明顯。然而，當(dāng)溶液中阻垢劑濃度過高時(shí)，膜表面可觀察到一層薄薄的無定形沉積物，該污垢層會使膜滲透通量下降。此外，He等認(rèn)為聚丙烯酸鈉-聚丙烯酸基化合物阻垢劑和含氮的有機(jī)磷化合物阻垢劑能顯著延長石膏及方解石在膜上的成核誘導(dǎo)期�？梢姡�投加阻垢劑是一種有效減緩膜蒸餾過程中膜污染的預(yù)處理途徑。

阻垢劑在緩解膜結(jié)垢方面表現(xiàn)良好，但在膜蒸餾過程中阻垢劑的使用需要注意以下問題：①阻垢劑過量會在膜表面形成污垢；②部分阻垢劑（如六偏磷酸鈉、正磷酸鹽等）可作為某些微生物的營養(yǎng)源，可能會引起膜表面更多的生物污染；③在溫度和進(jìn)料液變化的膜蒸餾過程中，阻垢劑的使用不易控制。因此，應(yīng)根據(jù)具體需要合理選擇和添加阻垢劑。

3、膜清洗技術(shù)

為了恢復(fù)膜通量并延長膜的使用壽命，膜蒸餾過程中往往需要定期清洗膜表面及膜孔內(nèi)的污染物。常用的清洗技術(shù)主要分為物理清洗和化學(xué)清洗兩大類，物理清洗指利用物理方法沖洗膜孔及膜表面，主要適用于膜污染初期階段。然而，當(dāng)膜孔內(nèi)結(jié)垢或膜污染嚴(yán)重時(shí)，采用物理清洗的方式往往達(dá)不到清洗要求，此時(shí)需對污染膜進(jìn)行化學(xué)清洗�；瘜W(xué)清洗主要通過化學(xué)試劑與膜表面及膜孔內(nèi)的污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而將污染物從膜上去除。對常用的清洗方法、清洗機(jī)制及主要針對的污染物類型進(jìn)行了總結(jié)，并對其優(yōu)缺點(diǎn)和成本進(jìn)行了比較，結(jié)果見表2。

3.1 物理清洗

3.1.1 水洗

在用水洗法清洗污染膜時(shí)，通常直接將進(jìn)料液替換為純水，然后在常溫下進(jìn)行膜清洗。Naidu等用去離子水清洗了DCMD過程使用的污染膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)水洗后沉積在膜上的無機(jī)晶體顯著減少，表明無機(jī)污垢在膜上的污染大部分是可逆的。此外，Charfi等研究發(fā)現(xiàn)，水流速度越大可獲得的通量就越高，但膜表面產(chǎn)生可逆污垢的風(fēng)險(xiǎn)也會增大。一般來說，當(dāng)過膜流速較小時(shí)，膜表面附近的層流層厚度會增加，較厚的層流層能夠截留更多的污垢。然而，層流層厚度的增加延長了污垢與膜相互作用的時(shí)間，促使膜污染向不可逆方向發(fā)展。因此，在進(jìn)行水洗時(shí)應(yīng)確定最佳錯(cuò)流速度以達(dá)到最佳的膜蒸餾處理效果。

水洗操作簡單，性價(jià)比高，可使用范圍廣，且清洗膜上污垢層的效果較好。但應(yīng)注意，水洗只能對膜表面及膜孔沉積的疏松污染物進(jìn)行沖洗，膜表面的致密污垢層仍需使用其他方法進(jìn)行清洗。

3.1.2 曝氣清洗

曝氣清洗污染膜的工作原理是通過注入氣體到原料液中形成兩相（即液-氣）流，然后曝氣形成的氣泡對水流的分隔作用使原料液波動，從而增大膜表面的剪切速率，達(dá)到對膜表面污垢層沖洗的目的。因此，曝氣清洗只能處理以無機(jī)污染物為主的外部污垢。

Chang等認(rèn)為曝氣時(shí)，氣泡可在進(jìn)料側(cè)膜界面處提供較大的剪切力，從而削弱污垢在膜上的附著力，降低污垢層的厚度，進(jìn)而顯著延緩?fù)�量的下降。此外�?/span>Choi等研究了在膜蒸餾過程中曝氣對膜污染的影響，在曝氣-膜蒸餾耦合試驗(yàn)進(jìn)行1h后，系統(tǒng)的滲透通量比未曝氣組高40%以上，同時(shí)水回收率提高了18%。上述研究結(jié)果表明，曝氣可減少膜上污垢，對膜污染有明顯減緩作用。但曝氣也受流速影響，較高的流速可能會因污垢晶體結(jié)構(gòu)的變化而使長時(shí)間曝氣的操作效率降低。

曝氣作為一種膜清洗技術(shù)，有如下優(yōu)點(diǎn)：①可減少溫度極化和濃度極化；②可沖洗松散污垢層；③可防止鹽晶體成核。盡管曝氣清洗具有如上優(yōu)點(diǎn)，但其曝氣效果受氣泡直徑、溶液pH及污染物特性影響。因此，該技術(shù)在膜蒸餾過程中緩解膜污染應(yīng)用方面仍需更多研究。

3.1.3 振動/超聲清洗

超聲清洗緩解膜污染主要通過超聲空化作用。超聲空化主要通過物理介質(zhì)生成振蕩區(qū)域，在振蕩稀疏階段物理介質(zhì)會受到凈負(fù)壓力，從而觸發(fā)超聲空化。當(dāng)空化區(qū)發(fā)生內(nèi)爆或坍塌時(shí)，產(chǎn)生的作用力可去除膜表面上附著的污垢層。

Naji等認(rèn)為超聲可有效去除聚四氟乙烯膜和聚偏氟乙烯膜上的硅垢和鈣垢，還可使?jié)B透通量增加50%~70%。該過程通量增加的原因是超聲可將超聲波的能量轉(zhuǎn)化為熱量，從而減少膜上的傳熱損失，降低溫度極化影響，提高過膜傳質(zhì)效率。Park等通過直接振動膜組件來控制膜蒸餾過程中的膜污染行為，在加入頻率為100~200Hz的振動后，DCMD系統(tǒng)通量下降明顯減緩；且隨著振動頻率的增加，膜污染的減緩作用更加顯著。此外，由于膜上結(jié)垢機(jī)制存在差異，振動在膜蒸餾中比在MF中更能有效控制膜污染。

但需注意，振動/超聲清洗過程操作參數(shù)（如頻率）選取不當(dāng)會破壞膜材料，使膜表面產(chǎn)生裂縫、孔隙變形甚至降解。因此，在使用振動/超聲清洗技術(shù)時(shí)，建議盡量選擇低功率，在保護(hù)膜的同時(shí)還可降低能量損耗。

3.2 化學(xué)清洗

3.2.1 酸/堿清洗

酸洗常用于去除無機(jī)污染物，其作用機(jī)制是通過與無機(jī)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，削弱污染物與膜間的相互作用，從而使污染物與膜分離。堿洗主要通過堿性清洗劑與有機(jī)物反應(yīng)生成易溶于水的鹽，進(jìn)而使其從膜表面去除。

Charfi等對DCMD系統(tǒng)處理厭氧消化廢液后的污染膜先后用去離子水、0.2%的NaClO和3%的檸檬酸進(jìn)行了清洗實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，NaClO有助于去除膜表面上的有機(jī)污垢，而檸檬酸對膜孔中的無機(jī)污垢有很好的去除效果。Jia等用HCl（pH=2）和NaOH（pH=12）依次對DCMD處理反滲透廢水后的污染膜進(jìn)行了清洗，研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)酸堿清洗后膜通量可恢復(fù)至原通量的62.8%。然而，隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行，通量逐漸降低，滲透側(cè)電導(dǎo)率迅速增加。這個(gè)現(xiàn)象可能是由于膜經(jīng)酸堿液清洗后，膜表面仍會形成污垢層堵塞膜孔，進(jìn)而導(dǎo)致膜潤濕。

雖然酸堿清洗劑對膜上的污垢層清洗效果顯著，但高濃度的清洗劑會損傷膜結(jié)構(gòu)，從而使膜潤濕性增加。但清洗劑濃度過低又很難達(dá)到理想的清洗效果。因此，在滿足清洗要求的前提下，應(yīng)盡量選擇濃度較低的清洗劑，避免造成資源浪費(fèi)及膜的二次污染。

3.2.2 表面活性劑/螯合劑清洗

表面活性劑是一種同時(shí)含有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的有機(jī)化合物，可將有機(jī)污垢吸附在疏水側(cè)，從而使有機(jī)物從膜表面脫離。螯合劑可減弱金屬離子（如Ca2+）的橋接作用，破壞污垢層與膜的相互作用，從而使污垢從膜上去除。

Jia等研究發(fā)現(xiàn)，針對DCMD處理反滲透濃縮廢水后的污染膜，采用SDS清洗可有效恢復(fù)70%以上的滲透通量及近100%接觸角，說明SDS有效破壞了有機(jī)污染物與Ca2+之間的相互作用，從而顯著減緩了有機(jī)物對膜的污染。Lu等用EDTA清洗了VMD處理冶金廢水后的污染膜，清洗后污染膜的通量恢復(fù)率可達(dá)99%，說明EDTA可有效緩解微溶性硫酸鹽引起的膜污染。

在使用表面活性劑和螯合劑清洗時(shí)，需要注意表面活性劑可能會改變膜的疏水性，降低膜的表面粗糙度。此外，表面活性劑和螯合劑分子大小若與膜孔徑接近，則可能堵塞膜孔，造成通量衰減。

3.2.3 氧化劑清洗

氧化劑是一種強(qiáng)力清洗劑，常用于去除膜上的有機(jī)和生物污垢。通常使用次氯酸鈉（NaOCl）來清洗膜，此外過氧乙酸（CH3CO-COOH）、過氧化氫（H2O2）等也可作為膜清洗的氧化劑。其主要機(jī)理是通過將有機(jī)大分子官能團(tuán)氧化為羧基、酮基和醛基，從而提高污染物的親水性，促使其從膜上分離和降解。Charfi等采用0.2%的NaClO對DCMD過程中的污染膜進(jìn)行了清洗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過NaClO清洗后滲透通量恢復(fù)了11.95%，同時(shí)NaClO不僅有助于去除膜孔內(nèi)部的污染物，還可以有效去除膜表面上的污染物。然而，Jia等使用2%的NaClO進(jìn)行膜清洗，雖然實(shí)現(xiàn)了高達(dá)97.9%的滲透通量回收率，但電導(dǎo)率迅速升高，說明鹽分快速流失導(dǎo)致了潤濕現(xiàn)象。綜上所述，盡管使用氧化劑對污染膜進(jìn)行清潔非常有效且無毒性產(chǎn)物生成，但仍需注意合理選擇適當(dāng)類型和用量的氧化劑以避免對膜材料及其分離過程造成不良影響。

4、結(jié)論與展望

在使用膜蒸餾淡化海水及處理廢水中，無機(jī)物、有機(jī)物或微生物沉積在膜表面或堵塞膜孔會導(dǎo)致膜結(jié)垢和膜潤濕，進(jìn)而降低膜蒸餾的工作效率。因此，可以根據(jù)實(shí)際情況采用各種預(yù)處理和清洗方法對膜蒸餾過程中的膜污染進(jìn)行緩解和抑制�；炷�預(yù)處理工藝簡單，但對親水性有機(jī)物的絮凝能力較差，易形成化學(xué)污泥；膜過濾技術(shù)預(yù)處理效果較好，出水水質(zhì)穩(wěn)定，但預(yù)處理膜的膜污染也是需重點(diǎn)考慮的問題；吸附預(yù)處理應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但其效果受吸附劑種類、濃度等條件的制約；AOPs技術(shù)能高效處理污染物，但反應(yīng)條件較為嚴(yán)格；在進(jìn)料液中投加阻垢劑的效果受阻垢劑的性質(zhì)和實(shí)驗(yàn)操作條件的影響。除上述預(yù)處理技術(shù)外，膜清洗技術(shù)也可有效緩解膜蒸餾過程中的膜污染。水洗操作簡單，但只能清洗膜上疏松污垢層；曝氣清洗、振動/超聲清洗、酸洗/堿洗等技術(shù)清洗效果顯著；但是這些技術(shù)受操作參數(shù)及溶液條件的影響較大。因此，膜前預(yù)處理和膜清洗技術(shù)在減緩膜蒸餾過程中膜污染方面仍有很大的研究空間。

①膜蒸餾作為一種新型膜分離過程，其研究廣度和深度不及壓力驅(qū)動膜分離過程，因此應(yīng)發(fā)展和開拓更多的預(yù)處理和膜清洗技術(shù)。

②目前對預(yù)處理與膜清洗技術(shù)結(jié)合的相關(guān)研究較少，因此預(yù)處理聯(lián)合膜清洗技術(shù)用來緩解膜蒸餾過程中膜污染是較有前景的研究方向。

③混凝、酸堿清洗等技術(shù)在緩解膜污染方面效果顯著，但化學(xué)試劑使用不當(dāng)可能會引起環(huán)境問題。因此，效果顯著和對環(huán)境友好的膜污染緩解策略將是下個(gè)階段的研究重點(diǎn)。（來源：重慶工商大學(xué)國家智能制造服務(wù)國際科技合作基地，重慶南向泰斯環(huán)保技術(shù)研究院，重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院）