《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》是作者在水处理、膜分离等领域理论与技术成果的总结。《水处理膜污染结构参数与微观作用评价方法》**介绍膜污染结构参数模型的建立、验证及在膜污染评价中的应用，膜与污染物及污染物与污染物之间微观作用力的测定原理、方法及在膜污染评价中的应用，QCM-D分析手段对膜污染物吸附层特征的测定原理、技术方法及针对不同类型污染的评价，以及减缓膜污染的相关技术和对未来技术发展的思考。

第1章 绪论
1.1水处理膜分离技术
1.1.1膜分离技术的分类
膜分离技术是应用*为广泛的分离技术之一。目前，已经深入研究和开发的膜分离技术有微滤技术、超滤技术、纳滤技术、反渗透技术和电渗析技术等。
1) 微滤技术
微滤(microfiltration，MF)技术是以微滤膜为核心部件，在 0.01～0.2MPa的压力推动下，截留大小为 0.1～1μm物质的膜分离过程。微滤技术利用多孔膜对大小为 0.1～1.m的颗粒进行拦截，根据过滤机理的不同又可以分为筛分、滤饼过滤及深层过滤。
微滤技术具有操作压力低、占地面积小等特点，被广泛地应用在饮用水处理工程、废水处理、医药行业、食品行业等领域。
2) 超滤技术
超滤(ultrafiltration，UF)技术是以超滤膜为核心部件，以压力为驱动的膜分离过程。配合一定的预处理，能彻底截留水中的细菌、胶体等大分子物质，而保留水中微量元素及矿物质。超滤膜孔径范围为 0.01～0.1μm，能使溶剂和小分子溶质透��膜，截留下大分子溶质。该技术利用大通量、耐高温、***性强的超滤膜及膜组件，可以实现水的再利用，在蛋白质等大分子物质分离上应用突出。
超滤技术具有操作简便、成本低、处理能力强等优点，在饮用水深度处理、工业废水再生处理和工业工艺用水领域得到较为广泛的应用。
3) 纳滤技术
纳滤(nanofiltration，NF)技术是利用孔径大小介于反渗透膜和超滤膜之间的膜进行的分离技术。纳滤膜孔径范围为 1～5nm，能截留分子量大于 200的各类物质。
纳滤技术使用的纳滤膜具有离子选择性，广泛应用于河水及地下水中有害物质的去除、废水处理及贵稀资源分离回收等，**的优点是投资成本低。
4) 反渗透技术反渗透 (reverse osmosis，RO)技术以反渗透膜为核心部件，在溶液的液面上施加大于渗透压的压力，使溶剂流动方向与原来的渗透方向相反，从溶液侧向溶剂侧流动。
反渗透技术不仅能截留大分子溶质和胶体物质，还能截留各种无机离子；膜的孔径介于 0.5～10nm，分离过程简单，能耗低，广泛应用于城市污水处理、饮用水和含盐水的处理等方面。
5) 电渗析技术电渗析(electrodialysis，ED)技术是在外加直流电场的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性分离不同的溶质粒子，实现溶液的提纯和分离物质的过程。
电渗析技术是一种较为成熟的水处理技术，主要应用于废水中污染物的分离和酸碱的制备。典型的应用实例有：①从造纸废水中回收碱和木质素；②含铜、镍、锌、铬等金属离子的电镀废水处理，例如，日本某精炼钢厂采用电渗析装置处理硫酸镍废水。
1.1.2膜分离技术特点概述
膜分离技术与其他传统的分离技术相比，在水的净化领域具有多方面的优势，主要表现在以下几个方面。
1) 分离效果好
膜分离技术可分离纳米级的物质，能够有效地分离水中的消毒副产物、有机物以及细菌、病毒等微生物。
2) 分离能耗低
大多数膜分离过程不发生相变，降低了能量损耗。另外，多数膜分离过程是在常温条件下进行的，无须加热或冷却，能量损耗很少。
3) 操作简便
大部分的膜分离设备设置了中控系统，可一键操作，快捷简便，且很少需要维护，**可靠。
4) 成本低膜分离过程几乎不需要投加药剂，降低了成本，同时避免了投药产生的二次污染问题。
膜分离主要是将分离膜看作使两相分开的一种薄层物质，称其为薄膜，简称为膜，具有渗透性，在分离过程中也具有半渗透性。膜可以存在于两流体之间或附着于支撑体或载体的微孔隙上；膜的厚度远小于其表面积，其材料可以是天然的也可以是人工合成的。在混合物中，膜分离技术针对不同的气体或液体组分，其选择渗透作用性能也不相同。利用膜的选择渗透作用之间的差异性，通过外界能量或化学位差等，实现对混合物中被选择透过的物质的分离。
膜分离技术在污水处理、食品、能源、医药、化工生产等行业得到了广泛的应用，取得了较快的发展。膜分离技术功能相对较多，体现了诸多优势，在不同行业的发展过程中，带来了巨大的经济效益。在分离科学中，膜分离技术的重要性得到高度的重视。
作为一种新型的**分离、浓缩、提纯及净化技术，膜分离技术具有多学科性特点。不同膜分离过程具有不同的机理，从而适用于不同的对象和要求。膜分离技术可在常温下连续操作，特别适用于热敏性物质的处理，在食品加工、医药、生化技术领域有其独特的适用性。
当利用常规分离方法不能经济合理地进行分离时，膜分离技术会达到特殊效果。另外，它也可以和常规的分离单元结合起来作为组合单元来运用。
膜分离过程也有自身的缺点，如易浓差极化、膜污染和膜寿命有限等，这些都是需要克服或者解决的问题。
1.1.3膜分离技术在水处理中的应用
1) 饮用水净化
随着食品**意识的提升，人们对饮用水的**也越来越重视。我国城市饮用水源污染逐渐加剧，大部分水源无法满足饮用水源的标准，因此加强对城市饮用水的净化显得尤为重要。
城市饮用水源的地面水和地下水，主要受真菌、病毒、微生物以及悬浮物等污染，需要通过传统的水处理技术对饮用水中的微生物以及细菌等进行灭活。但传统水处理技术难以去除微米级的悬浮颗粒，而利用超滤技术可以有效地提升水质，保证城市居民的健康。
2) 城市污水回用
城市污水回用可有效缓解城市用水压力。对城市污水进行处理，使水质达标从而用于城市不同功能需求的用水系统中，实现淡水资源的回收利用。膜分离技术在有效提升水质，使污水达到再利用标准过程中起关键作用。
3) 工业废水处理
很多工厂排放的废水成分复杂，而且排量较大，一些成分甚至有毒，污染了水源，给生态环境和人们的身体健康带来很大的危害。因此，需要加强对工业废水的处理，回收工业废水中的有用物质，从根本上做到节约能源和资源，进而实现经济的可持续发展。膜分离技术在工业废水处理中具有重要的作用。
4) 海水淡化
地球**的水资源是海水，处理后的海水是重要的新淡水资源。在海水的处理过程中，用到的膜分离技术主要包括电渗析、反渗透和膜蒸馏等。电渗析技术能将海水不断地进行淡化，制备淡水直接饮用。反渗透技术可以将海水进行淡化，能耗低，脱盐率高。目前利用反渗透技术对海水进行淡化制取饮用水，已成为解决淡水资源不足的重要技术。膜蒸馏技术能耗较低，清洁环保，而且设备较简单，操作比较容易。除此之外，正渗透 (forward osmosis，FO)技术由于是以溶液两端的浓度差作为分离动力，在分离过程中不需外加压力，相较于传统的膜过滤，具有**的抗污染性能和较好的膜恢复能力，在多个领域具有重要的应用。
5) 苦咸水脱盐
为了解决我国淡水资源日益紧张的问题，利用膜分离技术使苦咸水脱盐淡化，主要包括电渗析技术、反渗透技术和纳滤技术等。由于电渗析技术不能有效地去除水中的有机物和细菌，并且其能耗相对较大，应用范围受到限制。而反渗透技术处理后的水质良好，能耗相对低，而且较为清洁和环保，整个脱盐过程比较简单，易于操作，在苦盐水脱盐淡化过程中，实现了经济效益的**化。和反渗透技术相比，纳滤技术所需压力较低，能耗进一步降低，且在去除水中杂质以及部分可溶性物质的同时，有效地保留水中一些对人体有益的元素及其他成分，使纳滤技术成为高含盐水处理领域的热点。
6) 有用资源的回收
不同工业过程产生的废液中含有许多可用的资源，膜分离技术因其选择渗透作用，可在含量极低的情况下实现贵稀物质的回收。
1.2水处理膜污染概念及影响因素
1.2.1膜污染定义及分类
膜污染是指处理料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜存在物理化学作用或机械作用，在膜表面或膜孔内吸附、沉积而造成膜孔径变小或阻塞，使膜通量与分离特性产生不可逆变化的现象 (王学松， 2005)。
膜污染一般由无机物的沉积 (结垢)、有机分子的吸附 (有机污染 )、颗粒物的沉积(胶体污染 )、微生物的黏附及生长 (生物污染 )等相互作用所引起。
根据污染物种类，膜污染可分为沉淀污染、吸附污染和生物污染；根据物化现象，超 /微滤膜污染机理可分为浓差极化、滤饼层形成和膜孔堵塞。膜污染造成通量衰减主要表现为运行过程中的传质阻力增加。其污染类型可归纳为吸附、堵塞等引起的不可逆污染，以及浓差极化形成凝胶层导致的可逆污染。可逆污染与不可逆污染共同作用造成了运行过程中膜通量的衰减或阻力的增加。
1.2.2典型膜污染类型
膜污染物质因膜处理料液的不同而异，大致可分为以下几种污染类型。
1) 胶体污染
胶体通常是呈悬浮状态的微细粒子，均布于水体中，在膜过滤过程中，大量的胶体微粒随透过膜的水流涌至膜表面，被膜截留下来的微粒容易形成凝胶层。与膜孔径大小相当或小于膜孔径的粒子会渗入膜孔内部，堵塞流水通道而产生不可逆的变化。造成胶体污染的主要物质有：黏土矿物、胶体二氧化硅、金属(铁、锰和铝 )氧化物、有机胶体类物质、悬浮物和无机盐沉淀等。
2) 有机物污染
水中的有机物，有的是在水处理过程中人工加入的，如表面活性剂、清洁剂和高分子聚合物絮凝剂等，有的则是原水中本身存在的，如腐殖酸 (humic acid， HA)、分子量较低的有机酸、氨基酸、碳水化合物和羟基化合物等复杂有机物混合而成的物质，因其理化性质的差异，对膜造成不同程度的污染。
3) 无机物污染
压力驱动的膜过滤过程中，原水中大量难 (微)溶性无机盐的浓度超过其溶解度后会在膜表面积累、结垢而造成膜污染，称为无机物污染。碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硅酸盐等为结构层中的主要无机物，其中以碳酸钙和硫酸钙*为常见。无机结垢一旦在膜系统内生成，很难通过常规方法处理去除。
4) 微生物污染
微生物污染会影响膜分离过程的长期**运行。一些营养物质被膜截留而积聚于膜表面，细菌在这种环境中迅速繁殖，活的细菌及其排泄物质形成微生物黏液紧紧黏附于膜表面，这些黏液与其他沉淀物相结合，构成了一个复杂的覆盖层，不仅影响膜的透水量，而且会使膜产生不可逆的损伤。
1.2.3水处理中膜污染的影响因素
膜污染现象与膜的性质、原水中污染物的性质以及膜分离过程的操作条件密切相关，膜污染机理十分复杂。研究表明，原水中溶解性有机物 (dissolved organic matter，DOM)是影响膜污染的主要物质，其影响膜污染的污染物特性包括亲疏水性、电荷密度和分子量分布等；重要的溶液特性包括 pH、离子强度及其他溶质特性；重要的膜特性包括亲疏水性、荷电性和表面形状特性等 (Wang et al.，2000；Yuan et al.，1999；Kaiya et al.，1996)。
1. 污染物的特性影响
1) DOM亲疏水性的影响有机物的亲疏水性对膜污染的影响主要有两种观点：一是疏水性有机物产生较大的膜污染；二是亲水性有机物是产生膜污染的主要物质。
相关研究表明，腐殖酸的疏水性比富里酸强，在膜过滤过程中，腐殖酸对膜的吸附能力较大使得膜通量下降幅度较大 (Sch.fer et al.，2000；Jucker et al.， 1994)。Nilson等(1996)用 XAD-8树脂对地表水中的 DOM进行了分离，并指出纳滤膜通量下降几乎全部由疏水性 DOM造成。Lin等(2000)研究发现亲水性有机物相比疏水性有机物能引起更大的膜通量下降，亲水性部分引起的膜污染**。
之所以会出现上述两种不同的观点，主要是因为研究条件的影响作用不同，

目录 序 前言 第1章 绪论 1 1.1 水处理膜分离技术 1 1.1.1 膜分离技术的分类 1 1.1.2 膜分离技术特点概述 2 1.1.3 膜分离技术在水处理中的应用 3 1.2 水处理膜污染概念及影响因素 4 1.2.1 膜污染定义及分类 4 1.2.2 典型膜污染类型 5 1.2.3 水处理中膜污染的影响因素 5 1.3 水处理膜分离过程中不同类型膜的污染问题 7 1.3.1 微滤膜的污染问题 8 1.3.2 超滤膜的污染问题 8 1.3.3 纳滤膜的污染问题 9 1.3.4 电渗析膜、反渗透膜的污染问题 9 1.3.5 其他膜分离过程的污染问题 10 1.4 水中颗粒物的截留机理分析 11 1.4.1 悬浮颗粒的机械截留机理分析 11 1.4.2 膜分离过程中变形体颗粒的截留受力分析 12 1.4.3 分离膜面的滤饼过滤机理分析 12 1.5 水处理膜污染模型分析 13 1.5.1 机理模型 13 1.5.2 经验模型 23 1.5.3 半经验模型 26 1.6 水处理膜污染模型的指导意义及展望 29 1.6.1 基于污染物与膜孔径相对尺度特征的膜污染机理 29 1.6.2 膜污染模型的应用指导分析 31 1.6.3 指导水处理膜污染理论的深化研究 32 参考文献 32 第2章 超滤膜污染结构参数模型的建立及膜污染评价 36 2.1 电镜法对超滤膜污染结构参数的确定 36 2.1.1 聚偏氟乙烯超滤膜污染结构参数的测定 37 2.1.2 对聚丙烯腈超滤膜污染结构参数的测定 38 2.1.3 对聚醚砜超滤膜结构参数的测定 40 2.1.4 不同材质超滤膜结构参数的结构分析 41 2.2 超滤膜污染结构参数模型建立的基础 41 2.3 超滤膜污染结构参数模型 43 2.3.1 膜污染结构参数模型的建立 43 2.3.2 膜污染结构参数的求解 45 2.4 超滤膜污染结构参数模型的实验验证 45 2.4.1 实验装置 45 2.4.2 实验原水 45 2.4.3 实验数据的处理 46 2.4.4 超滤过程膜污染结构参数模型验证 47 2.5 膜污染结构参数模型对超滤膜污染的评价 48 2.5.1 不同性状原水超滤过程的膜污染结构参数评价 48 2.5.2 不同操作条件和运行模式下的膜污染结构参数评价 52 2.6 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法及控制系统 55 2.6.1 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法介绍 55 2.6.2 基于超滤膜污染结构参数变化的膜污染控制系统 55 2.6.3 基于超滤膜污染结构参数的膜污染控制方法及系统应用 58 参考文献 60 第3章 超滤膜污染机制的微观作用评价 62 3.1 原子力显微镜及胶体探针技术简介 62 3.1.1 原子力显微镜概述 62 3.1.2 原子力显微镜胶体探针 63 3.1.3 原子力显微镜在膜污染研究领域的应用 63 3.2 AFM胶体探针制备方法 64 3.3 AFM胶体探针制备平台的设计与搭建 65 3.4 AFM胶体探针的制备 66 3.4.1 熔融烧结法制备 PVDF胶体探针 66 3.4.2 吸附法制备有机物胶体探针 67 3.4.3 物理黏附法制备羧基官能团胶体探针 69 3.5 AFM胶体探针使用性能检验分析 69 3.6 超滤膜污染微观作用力测定方法 70 3.6.1 微观作用力表述 70 3.6.2 微观作用力测定方法 71 3.7 典型溶解性有机物对 PVDF超滤膜污染的微观作用力评价 72 3.7.1 典型有机物对超滤膜的宏观膜污染行为特征 72 3.7.2 典型有机物超滤膜面污染层结构特征分析 72 3.7.3 典型有机物超滤膜污染机理微观作用力评价 74 3.8 无机盐含量对超滤膜有机物污染影响的微观作用力机制评价 77 3.8.1 离子强度对超滤膜有机物污染的微观作用力影响评价 77 3.8.2 无机离子种类对超滤膜有机物污染的微观作用力影响 82 3.9 实际水质的超滤膜污染微观作用力评价 84 3.9.1 城市二级处理水水质特征分析 84 3.9.2 不同亲疏水性有机物对超滤膜污染行为的微观作用力研究 85 3.9.3 二级处理水总残留有机污染物与膜及有机物间微观作用力评价 88 3.10 膜污染微观作用力对膜制备及运行的指导 89 参考文献 90 第4章 超滤膜污染的 QCM-D分析与评价 94 4.1 QCM-D技术简介 95 4.1.1 QCM工作原理与设备构成 95 4.1.2 QCM��析原理 97 4.1.3 QCM-D工作原理 98 4.2 QCM-D技术应用于膜污染分析的原理和方法 101 4.2.1 QCM-D技术应用于膜污染分析的原理和过程 101 4.2.2 QCM-D覆膜芯片制备与表征 103 4.3 典型有机污染物超滤膜污染行为的 QCM-D分析与评价 106 4.4 复杂水质条件下 PVDF超滤膜膜污染行为的 QCM-D分析与评价 110 4.5 无机盐协同 BSA超滤膜污染行为的 QCM-D分析与评价 114 参考文献 116 第5章 纳滤膜污染机制的微观作用评价 118 5.1 纳滤膜与纳滤膜污染 118 5.1.1 纳滤膜 118 5.1.2 纳滤膜污染及分类 118 5.2 纳滤膜污染的影响因素及特征 119 5.2.1 原水水质的影响及特征 120 5.2.2 纳滤膜性能的影响及特征 122 5.2.3 系统操作条件的影响及特征 122 5.2.4 浓差极化作用的影响及特征 123 5.3 纳滤膜污染的分析与表征方法 124 5.3.1 污染膜的表面物理特征分析与表征 124 5.3.2 污染膜的表面化学特征分析与表征 124 5.3.3 污染膜的表面生物特征分析与表征 124 5.4 纳滤膜的复合污染作用 125 5.4.1 复合污染的协同作用 125 5.4.2 复合污染的拮抗作用 125 5.5 纳滤膜有机.无机复合污染的特征与微观作用机制评价 126 5.5.1 有机-无机复合污染的特征分析 126 5.5.2 有机-无机复合污染的微观作用测试技术 128 5.5.3 有机-无机复合污染过程中的污染物微观吸附特征评价 129 5.5.4 有机-无机复合污染过程中的微观作用力评价 132 5.5.5 有机-无机复合污染过程中结垢污染的微观作用机制综合评价 135 参考文献 136 第6章 缓解水处理膜污染的技术方法与分析 139 6.1 水处理膜污染的缓解技术 139 6.1.1 污染膜的清洗与技术选择 139 6.1.2 污染膜的常规清洗技术 140 6.1.3 特殊清洗技术 142 6.2 操作条件对膜污染的影响分析 145 6.2.1 膜分离过程的流动及传质方程 145 6.2.2 死端过滤与错流过滤对膜污染的影响分析 145 6.2.3 脉冲及连续流进水方式对膜污染的影响分析 147 6.2.4 其他操作方式对膜污染的影响分析 148 6.3 水处理膜抗污染性能改进方法 149 6.3.1 水处理膜抗污染改性的主要目标 150 6.3.2 水处理膜抗污染改性的技术方法 150 6.4 调整膜结构改进膜抗污染性能 153 6.4.1 膜的孔隙结构对膜抗污染性能的影响 153 6.4.2 膜材料性质对膜结构的影响 153 6.4.3 膜制备方法对膜结构的影响 154 6.5 调整膜面性质改进膜抗污染性能 154 6.5.1 膜表面的亲疏水性质对膜抗污染性能的影响 154 6.5.2 膜表面电荷与溶质性质对膜抗污染性能的影响 155 6.5.3 膜表面粗糙度对膜抗污染性能的影响 156 参考文献 156