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為什麼選擇正確的膜材質如此重要？膜的親水性和疏水性如何改變過濾效果？
在膜過濾技術中，膜污染是影響效率的重要因素。無論是在膜生物反應器、反向滲透、前向滲透，還是超濾等過程中，溶液或顆粒在膜表面或孔道中的沉積會導致膜性能下降。這樣的情形不僅影響通量，還會降低產水質量，並可能需要進行化學清洗或更換膜，增加了運行成本。
膜污染的嚴重性在於它能造成流量急劇下降，影響水處理廠的經濟效益。
膜污染的類型包括：膠體物質（如粘土、絮凝物）、生物物質（如細菌、真菌）、有機物質（如油、聚電解質、腐植質）及結垢（如礦物沉淀）。根據粒子與膜表面的附著強度，膜污染可分為可逆和不可逆污染。對於可逆污染，可以通過強剪切力或回洗移除，而不可逆污染則無法僅通過物理清洗去除。
影響膜污染的因素
根據最近的研究，膜污染受到許多因素的影響，包括系統的流體動力學、操作條件、膜的性質以及材料的屬性（如溶質）。在低壓、低進料濃度和高進料流速時，濃度極化效應較小，流量幾乎與跨膜壓差成正比。而在高壓範圍內，流量幾乎不受到施加壓力的影響。這種質量流率與壓力之間的偏差常常是由於濃度極化引起的。
膜污染的測量
在測量膜污染時，流量、跨膜壓力（TMP）、滲透率及阻力是最佳指標。在恆定流量作業中，TMP會隨著污染增加而上升，反之，在恆定壓力作業中，流量會因膜污染而降低。此外，在膜蒸餾等技術中，膜污染還會降低膜的拒絕率，因此透過電導率等方式測量滲透質量也是判斷膜污染的主要方式之一。
膜污染的控制
儘管膜污染是膜過濾過程中不可避免的現象，但可以通過清洗、選擇合適的膜材和操作條件等策略將其最小化。膜的清洗包括物理清洗、生物清洗和化學清洗。物理清洗方法如氣體清洗、水射流或使用壓縮空氣回洗，生物清洗則利用生物殺滅劑移除微生物，而化學清洗則是利用酸或鹼去除污染物和雜質。
研究者也在探索不同塗層對於減少磨損的影響，以改善膜的抗污染能力。
為了以最小化膜污染，選擇特定操作時所需的膜也至關重要。首先必須了解進水的性質，然後選擇對該溶液不易污染的膜。例如，對於水溶液過濾，優先選用親水性膜；而在膜蒸餾中則需選擇疏水性膜。在膜過濾過程中的操作條件也十分重要，因為它們可能影響過濾過程中的污染情況。舉例來說，跨流過濾通常比死端過濾更受青睞，因為過濾過程中產生的湍流會導致沉積層變薄，從而減少膜污染。
膜污染對機械性能的影響
膜的性能可能因膜污染而受損，導致溶質和溶劑都出現不必要的壓力與流量梯度。膜的失效機理可能是由於污染而直接造成膜的物理改變，或間接由於去污過程導致膜的損壞。
污染的直接影響
值得注意的是，商業上使用的膜大多是聚合物，如氟化聚乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）、聚醚砜（PES）和聚酰胺（PA），這些材料提供了良好的彈性和強度以承受持續的滲透壓。然而，污物的積累會通過物理改變來降低這些性能，最終導致裂縫、表面粗糙以及孔徑分佈的變化。
污染的間接影響
除了直接的物理損傷，膜污染也可能因為對應措施而間接影響膜的機械性能。回洗不僅會清除顆粒，還會對膜施加強烈的剪切力。因此，頻繁的污堵會使膜經歷循環負荷，可能導致疲勞損壞。這是一個使膜中既有微裂痕擴展的過程。此外，重複的化學處理會導致膜接觸到過量的氯或其他化學品，最終可能導致膜的劣化和層間剝離，造成膜的失效。
考慮到膜污染對環境和經濟的影響，選擇正確的膜材質和操作策略是否將成為提升水處理技術未來的一個關鍵挑戰？
