反渗透膜元件给水隔网厚度与污染可能性的关系

　　在水处理行业，经常讨论反渗透膜元件的给水隔网厚度与膜污染可能性之间的关系问题，尤其是在给水中有机物、胶体及悬浮物浓度较高的情况下，这一问题的讨论经常导致意见分岐。一种意见认为，使用较厚给水通道，即给水隔网厚度为0.031英寸（0.78毫米）的膜元件与使用普通的，即给水隔网厚度为0.028英寸（0.71毫米）的膜元件相比，前者的膜清洗频度较低，从而膜寿命较长。但目前并无实际数据支持这一观点。
　　在进入讨论之前，我们必须了解膜元件污染的有关机理。由于水中含有难溶盐、胶体、微生物、有机物、金属氧化物及其他各种杂质颗粒，因而会造成膜元件的污染。以胶体为例，天然水中的胶体等大多带有负电荷，这种胶体由带正电的胶核与带负电荷的外层所构成，由于胶体的多层结构及水化作用，因而胶体能悬浮于水中，由于胶体带负电荷的外层与其他胶体带正电荷的胶核相互吸引，使许多带有相同电荷的胶体粒子同时存在，但粒子之间并不实际接触。
　　由于复合膜制造过程中使用的带负电荷的基团未完全反应，因而复合膜的表面通常带有一定负电性，这种负电性是在制造过程中有意控制的，其目的是为了更好的去除带负电荷的物质。当给水送入膜元件后，大部分胶体会随水流通过给水隔网并排出膜元件，有两种作用力会影响这些胶体在膜元件内的迁移速度。第一种作用力使胶体颗粒沿与膜表面平行的方向移动；第二种作用力带着胶体颗粒向膜表面垂直移动以替换由于水的透过而留下的空间，胶体颗粒到达膜表面的速率与产水通量有关，水通量越高（例如系统中膜面积较少时）会使膜表面处的胶体浓度较高，在靠近膜表面处，由于边界层效应，水流阻力最大，因而水平流速近乎为0，从而造成一些胶体颗粒相互粘连并粘附于膜表面，从而更增加边界层厚度，造成堵塞效应，这就是膜元件污染发生时，产水量会迅速下降的原因。保持给水中足够的膜面横向流速，将集聚在膜表面的胶体等颗粒及时冲涮、剥离掉，维持恒定的边界层厚度，对维持膜的产水量是有积极影响的。
　　了解了膜污染机理之后，给水的横向流速对于减少污染，维持产水通量的重要性就十分清楚了。较高的横向流速可增加水流的湍流程度，减少颗粒物质在隔网空隙中的堆积和在膜表面上的沉淀。较高的横向流速也提高了膜表面处高浓度盐分的扩散速度，降低浓差极化的危害，减薄边界层厚度，防止难溶盐在膜表面处的沉淀、结垢。
　　膜面横向流速的大小是由给水流量、膜元件给水通道的宽度及厚度等因素所决定的。给水通道、即给水隔网越厚，则需要更高的横向流速才能达到相同的湍流程度和边界层效果，而更高的横向流速就要求更高的给水流量，同时，给水隔网越厚则使同样膜元件里的膜面积越小，这就意味着为达到较合适的膜面横向流速，使用膜面积小（给水隔网厚）的膜元件需要承担大的给水流量，造成单位膜面积的产水负荷即水通量增大，势必会增加膜污染程度。
　　上述分析表明，为减少污染、维持水通量及延长清洗周期，应选用适当的给水隔网厚度。在某些具体条件下，选用较薄的给水隔网厚度，可有效的增加横向流速，改善膜元件的综合性能。
　　有些膜生产厂家主张推广使用给水隔网较厚的膜元件（例如公称厚度为0.031英寸，膜面积为330平方英尺），他们声称这种膜污染倾向小，可减少清洗频率并增加清洗效果。海德能公司虽然也生产这种膜元件，但主要推广给水隔网厚度为0.028英寸，膜面积为365平方英尺和400平方英尺的膜元件。通过现场应用实验表明，隔网厚度为0.031英寸，膜面积为330平方英尺的膜元件的耐污染性并无明显优势。
　　位于美国西南部的一个半导体工厂也曾作过这种对比实验，该厂给水中含有较高浓度的有机物及胶体颗粒。他们同时使用海德能公司的膜面积为400平方英尺，隔网厚度为0.028英寸的膜元件和其它公司生产的膜面积为330平方英尺，隔网厚度为0.031英寸的膜元件。使用结果表明，在相同条件下运行时，这两种膜元件的污染速度和清洗后水通量的恢复速度基本相同。
　　事实上，首先，当给水流量确定后，隔网厚度为0.031英寸膜元件的横向流速比给水隔网为0.028英寸膜元件要低。在膜面积相同的反渗透系统中，其它工艺参数相同时，给水隔网较厚系统的横向流速较低，导致膜污染速度较大。其次，对于给水流量及产水流量均相同，所用膜元件数量也相同的反渗透系统而言，使用较小膜面积（给水隔网较厚）的膜元件时，系统的产水通量，即单位膜面积上的产水负荷较大，造成膜污染速度增加。例如，400平方英尺和365平方英尺膜元件的膜面积分别比330平方英尺膜元件大10.6%和 21%，在使用相同膜元件数的系统中，使用330平方英尺膜的系统，由于膜面积少，造成产水通量大和给水压力高。产水通量大增加污染趋势，给水压力高增加给水泵成本和电能消耗。此时可供选择的另一方法是增加膜元件（及压力容器）的数量，但这又使得设备成本提高。