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膜過濾的隱秘敵人：膜污染究竟是如何影響水質的？
隨著水資源的枯竭和水質污染的加劇，膜過濾技術已成為水處理業中不可或缺的重要技術。然而，膜污染卻成為了這項技術廣泛應用的巨大障礙。膜污染主要指的是在膜表面或膜孔中沉積的溶液或顆粒，這樣的污染不僅導致膜的性能降低，還會嚴重影響產水質量。
膜污染可以導致流量急劇下降，並影響產水的質量。
膜污染的種類繁多，從膠體、微生物，到有機物再到水垢，這些污染物的存在對膜的運行影響重大。根據污染物與膜表面附著的強度，膜污染可分為可逆污染和不可逆污染。可逆污染通常可以通過強大的剪切力或逆流沖洗加以去除，而不可逆污染則是很難清除的，這意味著可能需要進行強烈的化學清洗或更換膜片，這樣會大大增加處理廠的運營成本。
膜污染的影響因素
膜污染的形成受到多種因素的影響，這包括系統的水力學特性、操作條件、膜材料的特性等。近期的研究表明，在低壓、低進水濃度和高進水流速的情況下，濃度極化效應最小，膜的流量幾乎與跨膜壓差成正比。但在高壓範圍內，膜的流量變成對施加壓力幾乎無關的情況。這些現象的出現大多由於膜污染導致的跨膜壓力下降。
膜的流量與施加的壓力關係不再線性，這是由於濃度極化現象導致的。
膜污染的測量
評估膜污染的最佳指標包括流量、跨膜壓力 (TMP)、滲透率和阻力。當進行恆定流量運行時，TMP會隨著膜污染的加重而增加；而在恆定壓力下運行時，由於膜污染，流量則會降低。在某些技術中，如膜蒸餾，膜污染還會降低膜的排斥性能，因此通過電導率等方法測量的滲透水質量成為膜污染的主要評估指標。
膜污染的控制策略
儘管膜污染是一個不可避免的現象，但可以通過清洗、選擇合適的膜以及優化操作條件等策略來減少其影響。清洗的方法可以是物理、化學或生物清洗。例如，物理清洗方法包括氣體攪拌、水噴射或利用滲透水進行背沖洗；化學清洗則是藉助酸性或鹼性溶液去除污垢。
物理清洗、化學清洗和生物清洗都是有效的膜污染控制措施。
在膜的選擇上，了解進水的特性至關重要。選擇一種與進水不易污染的膜是減少污染的關鍵。例如，進行水過濾時應選擇親水性膜，而在膜蒸餾中則應選擇疏水性膜。此外，操作的條件也影響著膜的污染程度，譬如交叉流過濾通常優於死端過濾，因為過濾過程中產生的湍流能減少污垢的積聚。
膜污染對膜機械性能的影響
膜的性能也會因膜污染而出現機械性降解，這會導致溶質與溶劑之間的壓力和流量不均勻。商業上大多使用的膜材料為聚合物，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚醚砜(PES)和聚酰胺(PA)，這些材料的彈性和強度在應對持續的滲透壓時十分重要。然後，污垢的積聚會通過物理改變影響這些性能。
污垢的堆積會導致膜結構的裂紋形成、表面變得粗糙，並改變孔徑分佈，降低其結構的完整性。
除了直接的物理損害，膜污染還會通過反向沖洗等清洗策略間接影響膜的機械性能。多次的背沖洗會對膜造成強剪切力，從而導致膜的疲勞失效。此外，反覆的化學處理會使膜暴露於過量的氯等化學藥劑，造成膜材料的降解，最終可能導致膜的失效。
隨著膜技術的持續進步，針對膜污染的研究和技術改良已成為提升水處理效果的重要課題。在未來，我們是否能夠找到更有效的手段來應對膜污染，為水資源的可持續利用提供保障?
