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膜污染的驚人真相：如何透過科學改善水處理技術？
膜污染是一個重要的技術性的挑戰，困擾著許多水處理技術的實現。膜污染發生在膜的表面或孔隙內沉積溶液或顆粒，導致膜的性能下降。這一過程在膜生物反應器、反滲透、前滲透、膜蒸餾、超濾、微濾或納濾等技術中都可能發生，並且已經成為這些技術普及應用的一大障礙。
膜污染可能導致流量驟降，進而影響所產生水質的優劣。
膜污染的因素很多，包括膠狀物（如粘土）、微生物（如細菌和真菌）、有機物（如油脂及聚電解質）與結垢物（礦物沉澱物）。基於粒子附著於膜表面的強度，膜污染可分為可逆和不可逆兩種。可逆污染可通過強剪切力或反洗去除，而不可逆污染則是粒子強烈附著，無法通過物理清潔手段去除。
影響膜污染的因素
改變膜污染的影響因素眾多，例如系統流體動力學、操作條件、膜特性及溶質材料特性。研究顯示，在低壓、低進料濃度及高進料速度下，濃度極化效應最小，流量幾乎與跨膜壓差成正比。然而，在高壓範圍內，流量幾乎與施加的壓力無關，這一偏差來自於濃度極化。在低流入速率或進料濃度較高的情況下，即使在相對低的壓力下也會觀察到流量的限制情況。
膜污染的測量
流量、跨膜壓力（TMP）、透過率和阻力是測量膜污染的最佳指標。在恆定流量的運行下，TMP會增加以補償膜污染；而在恆定壓力運行中，則因膜污染而流量下降。在某些技術如膜蒸餾中，污染會降低膜的拒絕能力，因此可透過滲透水質（如電導率測量）來測量污垢程度。
膜污染的控制
儘管膜污染是膜過濾過程中的一個不可避免的現象，但通過清洗、選擇合適的膜材料及操作條件的選擇等策略可以將其降到最低。膜的清洗可以通過物理、化學或生物方法進行。物理清洗方法包括使用氣泡、海綿、水射流或回洗，而生物清洗則利用生物製劑去除所有有效的微生物。化學清洗則涉及使用酸和鹼來去除污染物與雜質。此外，研究人員也在探討不同塗層對膜耐磨性的影響。
選擇適合特定操作的膜材料，如對水過濾選擇親水性膜，對膜蒸餾則選擇疏水性膜，對控制膜污染至關重要。
膜污染對膜機械性能的影響
膜污染會對膜性能造成機械損傷，導致不必要的壓力和流量梯度。不僅會直接影響膜的物理性能，還可能因防污策略而造成間接影響。例如，回洗過程會給膜施加強烈的剪切力，這種頻繁的污垢清洗使得膜承受迎合的疲勞損傷，進而導致失效。研究顯示，長期的回洗會形成裂縫及物理結構損傷，甚至可能縮短膜的使用壽命。
膜材料多數為聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）等，這些材料通常具有良好的彈性與強度，但在污染物的積累下，其物理性能會被破壞。
對於如何有效控制膜污染，還需持續進行深入的研究，以尋求更優化的膜技術和操作方法。隨著水資源日益短缺，改進水處理技術變得愈發重要。未來，科學界將如何應對這一挑戰並提供持續的解決方案？
