徐晨翱，李 攀

(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092)

膜分離技術(shù)是一種以特定膜為分隔介質(zhì)，利用膜的選擇透過(guò)性能，以膜兩側(cè)壓力差、濃度差或電位差為驅(qū)動(dòng)力，對(duì)流體中的各種有關(guān)組分進(jìn)行分離的技術(shù)。與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)具有過(guò)程簡(jiǎn)單、過(guò)程中大多沒(méi)有發(fā)生相的變化、出水水質(zhì)更好、經(jīng)濟(jì)性較好的特點(diǎn)。因此，在水處理領(lǐng)域有快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[1]。在膜分離過(guò)程中，水體中所含有的部分物質(zhì)與膜發(fā)生一定的相互作用，使膜面或膜孔內(nèi)發(fā)生吸附、沉積，導(dǎo)致膜通量下降，即發(fā)生了膜污染現(xiàn)象[2]。膜污染致使產(chǎn)水量下降，必須定期清洗，而頻繁的膜清洗會(huì)導(dǎo)致處理效率降低、膜的壽命下降、工藝成本上升等問(wèn)題，從而制約膜分離技術(shù)大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

膜污染控制技術(shù)一直都是膜科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)引入兩相流來(lái)增強(qiáng)表面剪切是控制膜污染的有效辦法之一。膜分離過(guò)程中的兩相流是在進(jìn)料液中引入固體或氣體作為第二相，從而形成兩相流系統(tǒng)。固液兩相流中引入的固體可能會(huì)造成膜的損壞，且后續(xù)需要進(jìn)行固體與液體的分離，因而其應(yīng)用不多；氣液兩相流是在膜處理過(guò)程中，通過(guò)曝氣頭或者射流器引入氣泡來(lái)形成的。氣液兩相流技術(shù)能夠強(qiáng)化傳熱和傳質(zhì)過(guò)程，提高膜面剪切力，影響膜面污染層的形成，提高膜通量，延長(zhǎng)膜分離過(guò)程操作時(shí)間，操作簡(jiǎn)單、強(qiáng)化效果好，無(wú)需使用化學(xué)藥劑，對(duì)膜造成損害的可能性較小，易實(shí)現(xiàn)氣體與液體的分離等，已成為一種廣泛使用的膜污染控制技術(shù)[3]。在氣液兩相流的流動(dòng)系統(tǒng)中，存在多種流動(dòng)模式，即流型。常見的氣液兩相流流型如圖1所示。

圖1 氣液兩相流不同流型示意圖[3]Fig.1 Schematic Diagram of Different Flow Patterns of Gas-Liquid Two-Phase Flow[3]

微納米氣泡作為一種新型的曝氣技術(shù)，除了產(chǎn)生氣液兩相流之外，由于自身所具有的在水中停留時(shí)間長(zhǎng)、表面荷電、破裂生成羥基自由基(·OH)等特性[4]，還能夠在膜污染控制中發(fā)揮更加高效的作用。通過(guò)優(yōu)化操作條件和膜組件設(shè)計(jì)，將微納米氣泡應(yīng)用于實(shí)際工藝之中，有望延緩膜污染形成，大大延長(zhǎng)膜清洗周期，有效控制膜污染。因此，研究微納米氣泡曝氣對(duì)膜分離過(guò)程的強(qiáng)化效果以及控制膜污染的機(jī)制具有重要意義。本文對(duì)氣液兩相流技術(shù)在膜污染控制中的研究情況進(jìn)行了綜述，分別總結(jié)了不同膜分離過(guò)程中普通曝氣及微納米氣泡曝氣的研究成果，針對(duì)如何更好地應(yīng)用微納米氣泡技術(shù)進(jìn)行了分析與展望。

1 微濾過(guò)程膜污染控制

微濾膜具有相對(duì)較大的孔徑，因此污染物既可能在膜面沉積，又可能進(jìn)入孔隙導(dǎo)致堵塞[5]。氣液兩相流技術(shù)主要控制膜面污染層的形成，對(duì)膜孔內(nèi)污染的控制效果不明顯。

Pospisil等[6]在探究氣液兩相流對(duì)管式微濾膜處理二氧化鈦溶液的強(qiáng)化效果時(shí)發(fā)現(xiàn)：在二氧化鈦體積濃度為1%條件下，當(dāng)壓力為100 kPa時(shí)，即使氣體流速僅為0.5 m/s，通量也能提升50%，隨著氣體流速的增加，最大的提升效果達(dá)到了90%；而在二氧化鈦體積濃度為5%條件下，氣體所帶來(lái)的通量提升效果相似。Fouladitajar等[7]則研究了氣液兩相流對(duì)微濾處理水油乳狀液的通量的影響，并分析了膜污染機(jī)理。試驗(yàn)測(cè)試了2種液體流速(1 L/min和3 L/min)以及5種氣體流速(0.25、0.5、0.75、1 L/min和2 L/min)；結(jié)果表明，微濾過(guò)程產(chǎn)生了多種兩相流流型，氣泡尺寸的增大能破壞濾餅層的局部沉積，而段塞流則能夠?qū)δけ谑┘宇~外的剪切應(yīng)力，從而顯著提升通量。然而，當(dāng)液體流速?gòu)? L/min增加至3 L/min時(shí)，增加氣體流速對(duì)通量的提升作用不大，這是由于高液體流速下已經(jīng)產(chǎn)生足夠的湍流，氣泡無(wú)法顯著影響流動(dòng)邊界層。Fouladitajar等[8]還分析了膜污染阻力，證實(shí)了氣液兩相流能夠降低約23%的可逆阻力，但對(duì)不可逆阻力無(wú)明顯影響，說(shuō)明氣液兩相流強(qiáng)化微濾膜過(guò)濾的主要機(jī)制是減少膜面的濃差極化現(xiàn)象以及破壞污染層。Javadi等[9]則在微濾處理含藻水研究中采用響應(yīng)面優(yōu)化法與中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法，得到了與前述類似的結(jié)果：段塞流下通量提高了60%，但段塞流所帶來(lái)的剪切應(yīng)力有可能導(dǎo)致細(xì)胞破裂，從而分泌胞外聚合物(EPS)。在高進(jìn)料濃度下，隨著氣體流量的增大，滲透液與進(jìn)料液的EPS之比從1.0增加至1.8，這表明所分泌的EPS已經(jīng)通過(guò)了膜，而剩余的EPS則會(huì)對(duì)膜污染帶來(lái)負(fù)面影響。Wang等[10]則研究了氣液兩相流中氣泡特性對(duì)微濾過(guò)程的影響，通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)氣泡特性進(jìn)行表征時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著垂直高度的增加，氣泡的平均速度及平均面積增大，而單位膜面積上的氣泡數(shù)減少；隨著高度與氣體流量的增加，局部臨界通量值也增加；氣泡動(dòng)量及每個(gè)氣泡的平均面積與局部臨界通量成正相關(guān)，總臨界通量值則隨氣體流量與總流量之比的增加而線性增大，突出了氣體流量在緩解污染中的主導(dǎo)作用。

Lee等[11]利用微米氣泡(MBs)對(duì)污染后的聚四氟乙烯膜進(jìn)行物理清洗，收集清洗液并進(jìn)行濁度、TOC、DOC和FT-IR分析，并由滲透壓力和通量導(dǎo)出膜阻力來(lái)評(píng)估MBs的清洗效率(CE)，計(jì)算如式(1)。結(jié)果表明：清洗時(shí)間為60 min后，MBs的清洗效率高于普通曝氣；同時(shí)，除前30 min外，清洗液中污染物濃度均高于普通曝氣，其中濁度和TOC的差異尤為明顯。進(jìn)一步的研究中指出[12-13]，采用化學(xué)藥劑(NaOCl)與MBs相結(jié)合的清洗方法能顯著提高對(duì)膜污染的控制效果。一方面，MBs能更有效地去除膠體與顆粒物；另一方面，MBs能讓膜組件內(nèi)的NaOCl保持較高濃度，從而使膜內(nèi)污染物暴露于藥劑內(nèi)的時(shí)間更長(zhǎng)。

(1)

其中：Rtr——總阻力，m-1；

RTR——物理清洗后的總阻力，m-1；

Rmr——膜的固有阻力，m-1。

Gwenaelle等[14]研究MBs預(yù)處理對(duì)微濾膜污染的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的MBs浮選能夠去除一定數(shù)量粒徑相對(duì)較大的顆粒，導(dǎo)致平均粒徑減小，從而不能有效降低結(jié)垢速率。與混凝劑聯(lián)用之后，溶液顆粒數(shù)顯著減少，微濾過(guò)程中的結(jié)垢速率顯著降低。Harun等[15]則應(yīng)用射流振蕩器產(chǎn)生的MBs對(duì)微濾膜處理海水產(chǎn)生的膠體污染進(jìn)行了清洗；結(jié)果表明，射流振蕩器產(chǎn)生的MBs對(duì)跨膜壓降的減少率能達(dá)到9.53 mbar/min(1 bar=100 kPa)，遠(yuǎn)高于無(wú)射流振蕩器時(shí)的3.41 mbar/min，同時(shí)膜面的掃描電鏡圖也顯示振蕩產(chǎn)生的MBs清洗掉了膜面的大部分雜質(zhì)。

2 超濾過(guò)程膜污染控制

與微濾膜相比，超濾膜具有更小的孔徑，能夠去除水體中的微生物。超濾膜污染主要有顆粒污染、有機(jī)物污染以及微生物污染。與微濾類似，兩相流能夠清洗膜面污染層，但對(duì)孔隙內(nèi)的污染無(wú)控制效果[16]。

早在2001年，Cabassuda等[17]在超濾試驗(yàn)中引入了氣液兩相流。結(jié)果表明：天然河水與黏土懸浮液的通量變化趨勢(shì)類似，但河水的通量增強(qiáng)效果遠(yuǎn)低于黏土懸浮液；進(jìn)一步的臨界通量分析發(fā)現(xiàn)，河水具有的臨界通量更高，即具有更低的污染能力，因而其通量增強(qiáng)效果遠(yuǎn)低于黏土懸浮液。Shahraki等[18]則在研究不同氣體及鼓氣方式對(duì)超濾過(guò)程的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，注入不溶性的氣體(N2)對(duì)通量的提升效果達(dá)到了72%，高于注入可溶性氣體(CO2)時(shí)的40%，這可能是由于CO2部分溶解，從而使得注入的氣泡數(shù)量減少，導(dǎo)致剪切作用減弱；此外，30 min內(nèi)的平均通量結(jié)果表明，間歇鼓泡所帶來(lái)的通量提升效果要優(yōu)于連續(xù)鼓泡。Shahraki等[19]比較了超聲空化及鼓泡2種方式對(duì)超濾膜過(guò)程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超聲能將30 min內(nèi)的平均通量提升180%，而鼓泡則能提升72%；在特定條件下，超聲與鼓泡的結(jié)合能讓平均通量提高384%，表明了超聲相較于鼓泡處理效果更好，而二者的聯(lián)合使用更能大大提升超濾膜的處理性能。Javid等[20]則應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)不同兩相流流型在超濾過(guò)程中的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合；段塞流下通量提高了78%，高于氣泡流時(shí)的30%，再次證實(shí)了段塞流對(duì)膜濾過(guò)程的影響效果要優(yōu)于氣泡流?；趫D像處理技術(shù)的分析結(jié)果表明，相同的氣體流量下，段塞流中氣泡的尺寸相對(duì)較大，因而能更好地增強(qiáng)湍流度和剪切力，使其對(duì)滲透通量有更好的提升性能。

Watabe等[21]在超濾處理河水的研究中引入MBs。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在6 h的短期過(guò)濾試驗(yàn)中，沒(méi)有MBs的情況下，通量迅速下降了約50%；而在有MBs的情況下，通量保持較高的均勻性。在25 h的長(zhǎng)期過(guò)濾試驗(yàn)內(nèi)，當(dāng)MBs存在時(shí)，盡管液體的錯(cuò)流速度僅為0.01 m/s，此時(shí)獲得的通量甚至高于無(wú)MBs時(shí)較高錯(cuò)流速度(0.16 m/s)下所得的通量，表明添加MBs能降低產(chǎn)生給定流量所需的錯(cuò)流速度，從而減少所需消耗的能量。Watabe等[22]在進(jìn)一步研究MBs對(duì)不同污染源所導(dǎo)致的膜污染的控制效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)情況下，MBs的引入對(duì)于減少膜污染是有效的，但對(duì)于某一河流，控制效果不明顯，這說(shuō)明MBs控制膜污染的效果取決于水體水質(zhì)。在以有機(jī)物為污染源的膜污染試驗(yàn)中，定義歸一化相對(duì)通量比(RFR)，如式(2)。腐植酸和瓜爾膠的RFR在初始時(shí)增加，并達(dá)到恒定值，而牛血清白蛋白試驗(yàn)中的RFR在初始階段幾乎不變， 150 min后才有增加，再次證明了MBs的控制效果隨污染物性質(zhì)的不同而有所不同。

(2)

其中：RFm——有MBs時(shí)，過(guò)濾300 min后的相對(duì)通量，L/(m2·h)；

RFr——無(wú)MBs時(shí)過(guò)濾300分鐘后的相對(duì)通量，L/(m2·h)。

3 反滲透過(guò)程膜污染控制

一般認(rèn)為，反滲透工藝中主要的污染類型是生物污染，因而生物污染是反滲透工藝中兩相流清洗的主要目標(biāo)。

Cornelissen等[23]在試驗(yàn)中采用了3種平行的螺旋纏繞膜組件：參照組件(REF)、每日氣/水沖洗組件(AWC)和每日硫酸銅處理組件(CSD)。為期110 d的試驗(yàn)結(jié)果顯示，每日氣/水沖洗能夠有效控制標(biāo)準(zhǔn)化壓降，且在氣/水沖洗的前5 min，視覺觀察及分析結(jié)果表明，大部分有機(jī)物和無(wú)機(jī)物均得到了去除，沖洗水的成分已與給水基本相同。因此，氣/水沖洗時(shí)間的縮短能夠給膜組件的持續(xù)運(yùn)行帶來(lái)更低的影響。在后續(xù)的研究中，Cornelissen等[24]進(jìn)一步證實(shí)了氣液兩相流能夠去除螺旋纏繞膜組件中的顆粒污染。Vrouwenvelder等[25]以一種膜污染模擬器為試驗(yàn)裝置進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩相流所帶來(lái)的高剪切力能夠去除絲狀生物膜結(jié)構(gòu)，且降低了壓降以及生物量濃度。然而，較高的剪切力會(huì)導(dǎo)致薄但致密的生物膜形成，因此需通過(guò)控制流態(tài)，達(dá)到對(duì)生物膜的形態(tài)控制，進(jìn)而控制膜的生物污染。

Dayarathne等[26]在反滲透處理鹽水過(guò)程中引入了微納米氣泡(MNBs)，約20 min即可觀察到通量的增加，同時(shí)可觀察到水中溫度的迅速上升。利用溫度校正因子(TCF)和滲透壓，計(jì)算歸一化滲透通量(NPF)，從而規(guī)范溫度對(duì)通量的影響，如式(3)～式(5)。結(jié)果表明，應(yīng)用MNBs后的84 min，通量從17.22 L/(m2·h)增加至19.18 L/(m2·h)，溫度則從14 ℃上升至20 ℃。計(jì)算得到，14 ℃下無(wú)NMBs時(shí)的初始通量為14.53 L/(m2·h)，氣泡對(duì)通量的貢獻(xiàn)率為18.51%，84 min后貢獻(xiàn)率達(dá)到26.93%，證實(shí)了濃差極化層隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)展。在進(jìn)一步的研究中，Dayarathne等[27]發(fā)現(xiàn)，有MNBs存在時(shí)，反滲透工藝處理含鈣鹽水過(guò)后，膜面不存在鈣的晶體，說(shuō)明MNBs能夠抑制硫酸鈣和碳酸鈣晶體在膜上的形成，從而有利于降低海水淡化的運(yùn)行成本及對(duì)環(huán)境造成的消極影響。

TCF=1.03T-25

(3)

(4)

(5)

其中：T——溫度，℃；

Cf——進(jìn)料濃度，mg/L；

TCFs——標(biāo)準(zhǔn)條件下的溫度校正因子；

TCFa——實(shí)際條件下的溫度校正因子；

Pfs——標(biāo)準(zhǔn)條件下的進(jìn)料壓力，atm，1 atm=101.325 kPa；

Pfa——實(shí)際條件下的進(jìn)料壓力，atm；

πfs——標(biāo)準(zhǔn)條件下的進(jìn)料滲透壓，atm；

πfa——實(shí)際條件下的進(jìn)料滲透壓，atm；

Ja——實(shí)際條件下的滲透通量，L/(m2·h)。

4 膜蒸餾過(guò)程膜污染控制

膜蒸餾技術(shù)作為膜分離與蒸餾工藝結(jié)合的產(chǎn)物，其主要應(yīng)用障礙來(lái)源于反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的濃差極化與溫差極化現(xiàn)象。盡管兩相流技術(shù)在膜蒸餾領(lǐng)域的研究不算太多，但已有的研究結(jié)果均表明，兩相流技術(shù)能夠提升膜蒸餾性能以及緩解膜污染。

Wu等[28]利用氣液兩相流強(qiáng)化真空膜蒸餾，發(fā)現(xiàn)在無(wú)氣體的情況下，滲透通量約22 kg/(m2·h)；而當(dāng)引入空氣之后，滲透通量隨氣體流量的增加而增大，且當(dāng)氣體流量為60 L/h時(shí)，通量超過(guò)40 kg/(m2·h)，通量的提升效果在進(jìn)料溫度或進(jìn)料濃度較高時(shí)更加明顯。此外，Wu等[29]還建立了兩相流流型的數(shù)學(xué)模型，并研究了真空膜蒸餾過(guò)程中的傳熱與傳質(zhì)參數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在給定的液體流量下，當(dāng)流型從泡狀流向段塞流過(guò)渡時(shí)，膜蒸餾通量明顯提升，這一結(jié)論與前述相吻合；同時(shí)，利用Matlab軟件繪制出的2種流型下通量與雷諾數(shù)的理論曲線，與試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差僅在5%以內(nèi)，而基于傳熱傳質(zhì)方程計(jì)算得到的溫差極化系數(shù)(TPC)與濃差極化系數(shù)(CPC)結(jié)果表明，段塞流下，TPC的增加速率及CPC的降低速率均增大，再次證實(shí)了氣液兩相流大大強(qiáng)化了邊界層的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，減少了邊界層的溫差極化和濃差極化效應(yīng)。Ding等[30]通過(guò)推導(dǎo)直接接觸膜蒸餾處理中藥提取物過(guò)程中結(jié)垢阻力增長(zhǎng)率的表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)兩相流的引入顯著緩解了膜蒸餾過(guò)程的通量下降趨勢(shì)，意味著兩相流通過(guò)去除膜面的部分沉積污染物可減少通量的下降。相應(yīng)試驗(yàn)后膜的掃描電鏡圖像顯示，有氣泡存在時(shí)，膜面只有一層薄的污垢，且許多膜孔未被堵塞；而無(wú)氣泡存在時(shí)，膜面的污染層更厚，且?guī)缀跛械哪た拙欢氯?，膜面的比較結(jié)果直接驗(yàn)證了鼓泡對(duì)膜污染控制的積極作用。Chen等[31]在直接接觸膜蒸餾處理鹽水過(guò)程中進(jìn)行鼓泡強(qiáng)化，并考察了膜蒸餾過(guò)程的流體力學(xué)因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在其余參數(shù)不變的條件下，液體為層流時(shí)的鼓泡強(qiáng)化效應(yīng)遠(yuǎn)高于湍流，這是因?yàn)閷恿鳁l件下，液體邊界層更厚，氣泡的引入帶來(lái)的流動(dòng)條件改善效果更好。Chen等[32]還定量分析了膜蒸餾過(guò)程的傳熱系數(shù)以及局部結(jié)垢阻力。結(jié)果表明：4種給定條件下的線性回歸方程相關(guān)系數(shù)均大于0.99，以此計(jì)算得到，在氣體流量為0.2、0.5、0.8 L/min時(shí)，傳熱系數(shù)分別增加了130%、102%以及53%；同時(shí)，基于傳熱系數(shù)，得到了相應(yīng)的TPC，結(jié)果顯示，引入鼓泡明顯提高了膜蒸餾過(guò)程的溫差極化系數(shù)以及傳熱驅(qū)動(dòng)力；此外，在0.2 L/min和0.5 L/min氣體流量下，結(jié)垢阻力曲線明顯降低，而0.8 L/min氣體流量下，結(jié)垢阻力在初始階段減小，隨后急劇增加，這一結(jié)果說(shuō)明，較高的氣體流量并不一定能夠帶來(lái)較高的收益。Zou等[33]研究真空膜蒸餾中硫酸鈣的污染行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣晶體的形成過(guò)程有2種機(jī)理，不同的結(jié)垢機(jī)理會(huì)導(dǎo)致運(yùn)用氣泡沖洗時(shí)的效果不同。當(dāng)硫酸鈣初始濃度較低時(shí)，其表面結(jié)晶機(jī)理占主導(dǎo)作用，使其污染行為呈現(xiàn)兩階段趨勢(shì)，這一情況下形成的污垢層較薄但致密，空氣反沖洗的效果極??；而在硫酸鈣初始濃度較高時(shí)，滲透通量從開始時(shí)便持續(xù)下降，盡管這一情況下污垢層更厚，但更加松散，因而空氣反沖洗的效果較好。

Cho等[34]應(yīng)用MBs作為膜蒸餾的預(yù)處理技術(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膜蒸餾運(yùn)行500 min后，膜通量仍保持較高水平，600 min后膜通量才開始逐步下降，而下降速率仍低于未經(jīng)預(yù)處理的膜通量，表明MBs預(yù)處理廢水的有效性。然而，相較于未處理溶液的濁度(4.5 NTU)，MBs預(yù)處理后的濁度為3.1～3.8 NTU，即MBs的預(yù)處理并未顯著改變水質(zhì)。Ye等[35]在真空膜蒸餾過(guò)程中引入MBs，評(píng)估了不同泵壓下所產(chǎn)生的MBs的特性，泵壓為0.1～0.4 MPa。結(jié)果表明，MBs的平均直徑在4種壓力下分別為39.66、39.92、27.84 mm和25.36 mm，基本隨壓力的增大而減小。同時(shí)，高泵壓下膜蒸餾過(guò)程的有效處理時(shí)間被大大延長(zhǎng)，如0.4 MPa時(shí)的有效處理時(shí)間被延長(zhǎng)至360 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)MBs時(shí)的120 min，使得一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，產(chǎn)水量從469.70 g增加至1 386.26 g。這些結(jié)果說(shuō)明，在更高的氣體壓力下，能夠產(chǎn)生數(shù)量更多、平均直徑更小的MBs，從而提高水蒸氣的產(chǎn)量并限制鹽的產(chǎn)量，達(dá)到控制膜污染的作用。

5 總結(jié)與展望

5.1 總結(jié)

隨著綠色水處理技術(shù)的發(fā)展，膜分離技術(shù)被越來(lái)越廣泛的使用，開發(fā)工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效的膜污染控制技術(shù)至關(guān)重要。微納米氣泡曝氣作為一種綠色清潔技術(shù)，應(yīng)用其控制膜污染是有益的。對(duì)于微濾和超濾而言，它們的分離原理類似，污染物也都主要在膜面上聚集，由于孔徑的不同，微濾膜主要產(chǎn)生顆粒污染，而超濾膜則一般是有機(jī)污染，在這2種膜過(guò)濾工藝中應(yīng)用微納米氣泡均能夠影響到膜面污染層，從而取得較好的控制效果；而反滲透過(guò)程的操作壓力較大，盡管氣體的通入能夠提升其通量，但需要注意在大壓力下通入氣體時(shí)的能耗問(wèn)題；膜蒸餾作為一種較為新型的膜分離技術(shù)，具有更低的操作壓力和更高的理論截留率，但其成本較高，通量較小，此情況下應(yīng)用微納米氣泡則能夠較為顯著地提升通量，延長(zhǎng)產(chǎn)水周期，增加產(chǎn)水量。

對(duì)于普通曝氣而言，其主要機(jī)理是通過(guò)形成氣液兩相流，引入氣泡，帶來(lái)擾動(dòng)的增強(qiáng)，氣液混合導(dǎo)致混合液體流速增加，從而實(shí)現(xiàn)膜表面剪切力的提高[36]。在部分應(yīng)用條件下，普通曝氣甚至能夠引起中空纖維膜組件中的膜絲發(fā)生振動(dòng)[37]。在以蒸汽壓力差為傳熱傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的膜蒸餾過(guò)程中，氣液兩相流還能夠削弱溫差極化現(xiàn)象，從而使得膜表面的溫度更加接近主體溶液的溫度，膜面溫度的增加也代表著蒸汽壓力的增大，從而傳熱傳質(zhì)的驅(qū)動(dòng)力也相應(yīng)增大[38]。

對(duì)于微納米氣泡曝氣而言，除了能夠形成氣液兩相流之外，微納米氣泡自身的特性在膜污染控制中發(fā)揮了重要作用。首先，微納米氣泡表面帶有負(fù)電荷并存在疏水相互作用，有機(jī)污染物和陽(yáng)離子均能夠富集微納米氣泡，從而降低溶液中污染物的濃度[39-41]；微納米氣泡也可能存在于污染層之中，從而降低污染層的阻力；微納米氣泡內(nèi)部壓力高，在其爆破的最后階段會(huì)產(chǎn)生高壓點(diǎn)，導(dǎo)致壓力波的產(chǎn)生，可破壞污染層[42-43]；且爆破生成的羥基自由基(·OH)可能對(duì)有機(jī)污染物進(jìn)行分解，從而起到控制膜污染的作用[44]。

在應(yīng)用普通曝氣產(chǎn)生氣液兩相流時(shí)，根據(jù)氣體與液體的流量及其比值的不同，兩相流系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生多種流型，其中最為常見的是泡狀流和段塞流。這2種流型均能對(duì)膜污染的控制帶來(lái)積極效果，而當(dāng)氣體流量的占比進(jìn)一步增大時(shí)，兩相流系統(tǒng)則有可能形成攪拌流或環(huán)狀流，這2種流型會(huì)減少料液與膜面接觸，阻礙傳熱傳質(zhì)過(guò)程，反而會(huì)加劇膜污染；在采用微納米氣泡曝氣時(shí)，由于微納米氣泡尺寸小，且氣體流量的占比小，兩相流系統(tǒng)一般只會(huì)形成泡狀流流型，然而其對(duì)膜污染的控制效果并未減弱，因此，應(yīng)用微納米曝氣控制膜污染相較于普通曝氣具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

5.2 展望

盡管直觀上微納米氣泡曝氣帶來(lái)的積極效應(yīng)十分明顯，且其作用機(jī)理也得到了一定程度的解釋，但這些解釋目前還只是猜測(cè)，并沒(méi)有較好的證據(jù)來(lái)證明其合理性，因而對(duì)于微納米氣泡控制膜污染的機(jī)理仍需深入研究，并采用有效的觀察和測(cè)量手段來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。一方面，微納米氣泡曝氣涉及到氣液兩相流中的流體力學(xué)行為，流體力學(xué)結(jié)合數(shù)值模擬分析將成為未來(lái)一種重要的分析方法；另一方面，涉及到微納米氣泡與膜面污染物乃至體相物質(zhì)之間的相互作用，從微觀上分析微納米氣泡與膜面以及污染物質(zhì)之間的作用機(jī)理是值得探究的。

此外，應(yīng)用微納米氣泡曝氣技術(shù)控制膜污染還需要注意以下問(wèn)題：(1)氣泡發(fā)生器的設(shè)計(jì)優(yōu)化：氣泡發(fā)生器會(huì)影響所產(chǎn)生的微納米氣泡的尺寸、濃度等相關(guān)特性，從而影響對(duì)膜污染的控制效果；(2)微納米氣泡和膜工藝結(jié)合的膜組件設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)優(yōu)化：不同氣體性質(zhì)、不同氣體流量、不同曝氣時(shí)間所導(dǎo)致的膜污染控制效果不同，同時(shí)所需要消耗的能量也有所差別，需要綜合考慮控制效果與能耗之間的關(guān)系。針對(duì)上述問(wèn)題，今后的研究應(yīng)著重于在實(shí)際的微納米氣泡曝氣控制膜污染過(guò)程中，考慮如何穩(wěn)定地產(chǎn)生尺寸、濃度可控制的微納米氣泡，以及如何優(yōu)化膜組件和操作工藝參數(shù)，從而提高對(duì)膜污染的控制效果，并盡可能地減少能量消耗，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。