香港大學針對膜生物反應器開發新型親水化膜處理工藝
2014-04-20 18:12:57
admin
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據都市日報網2011年7月14日訊 如今，人工合成膜的應用已遍布我們生活的各個角落，并極大地改善了我們的生活質量。從*常遇到的純凈水到現代醫學用到的人工器官，到處都有其應用的影子。隨著更多的人開始關注水質和水資源短缺問題，膜在污水處理領域得到了愈來愈廣泛的應用。而此項成果亦作為香港大學工程學院百周年展覽的其中一部分，已于7月初在時代廣場展出，希望能讓市民大眾對膜的應用有更深入的了解。
簡單來說，膜是一薄層材料，它可以選擇性地將一部分物質與另一部分物質分離開來。反滲透膜海水淡化就是將海水中的微生物和絕大部分鹽類物質去除，得到的就是可以直接飲用的淡水。隨著人們對水環境質量要求的提高和水資源短缺問題的惡化，膜，特別是微孔膜，在污水處理領域得到了愈來愈廣泛的應用。傳統的污水處理技術可以將骯臟的污水處理到景觀用水的水平。為了更好地進行污水回用，科學家和工程師們開發出了一種新型污水處理工藝，叫作膜生物反應器。膜生物反應器中膜的作用是隔離水中絕大部分的顆粒物質，包括細菌和病毒。因此，經過膜生物反應器處理后的出水經簡單消毒后可以用于洗車、沖廁甚至地下水和水庫水補充。
膜應用的*大障礙是膜污染。膜污染是膜分離性能下降的一個統稱，原因主要是膜表面覆蓋有凝膠類物質或者微生物群落等膜污染物質。膜污染后運行費用大大上升，甚至影響膜本身的使用壽命。目前，微孔膜的主要制造材料是疏水性高分子聚合物。疏水性高分子聚合物形成的膜在柔韌性、抗酸堿性、抗腐蝕性和抗生物降解性方面性能優越，而且制造工藝相對簡單。但由于疏水性材料更易粘附膜污染物質，因此，膜表面需要進行后續親水化處理。后續處理工藝大大提高了膜制造成本。而且，后續處理容易使膜表面孔徑結構發生改變，不易對膜分離性能進行控制。
目前有一種研究趨勢是進行同步親水化處理，意即膜的制造形成和親水化處理一步完成。比較常用的方法是在疏水性高分子聚合物中摻雜親水材料或雙性材料。但親水材料容易造成膜整體結構的破壞，因此需要進行選擇和優化。更值得注意的是，許多親水性材料被包埋在膜基體內，并不能達到膜表面，起不到改性的作用，而且造成了材料的浪費。
開發新型親水化處理工藝
香港大學土木工程系環境工程研究中心開發了一種新型的同步親水化處理工藝。該工藝的*重要特點是在成膜過程中在膜表面自發植入納米氧化鋁顆粒。所謂自發就是無需特殊條件或特殊工藝要求，親水化過程同步完成。被植入的顆粒與膜材料嵌合穩定，不易脫落。氧化鋁顆粒同疏水性高分子聚合物一樣，具有優良的化學穩定性。同時，氧化鋁屬于無機材料，親水性能良好。此外，納米顆粒具有許多普通大顆粒所不具備的特殊性質。實驗結果表明，使用新型工藝制造出的膜不僅能抗有機膠體物質的污染，而且有效阻礙了微生物在膜表面的粘附。同時，微生物在膜表面的生長受到了極大的抑制。理論計算表明，新型工藝的應用前景非常廣泛，包含幾乎所有用于膜制造的疏水性高分子聚合物和許多功能性的無機納米顆粒，比如氧化鋁、二氧化鈦和納米銀等。目前該新型工藝已成功申請美國專利。此外，研究人員還開發了被植入顆粒原位生長的方法。顆粒原位生長的目的是為了提高無機顆粒在膜表面的覆蓋率，意即提高膜表面的整體親水性。實驗結果表明，經過顆粒原位生長后，微生物在膜表面的粘附能力得到了進一步削弱，有效提高了膜的抗污染性能。
可以預計，該新型工藝的廣泛使用將較大降低膜的生產成本和有效提高膜的使用壽命。膜成本的降低和膜污染的改善勢必促進膜在各領域的更廣泛應用。我們的生活質素和周圍環境質量將得到進一步的提高。
撰文作者：施凱敏，香港大學工程學院土木工程系助理教授
三種PVDF微孔膜表面的比較：(a)未進行表面親水化處理的膜
(b)表面植入氧化鋁納米顆粒的膜
(c)納米顆粒原位生長之后的膜
細水珠在膜表面形狀反映膜表面親水性。(a)未進行表面親水化處理的膜，水珠拱起；
(b)表面植入氧化鋁納米顆粒的膜，水珠扁平。