反滲透系統污染是系統穩定運行的重要威脅，因此系統污染成為工程與學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要課題。目前國內外專(zhuān)家對于系統污染的分析研究主要有電鏡-能譜、超聲波、紅外光譜、氣相色譜-質(zhì)譜等方法，而這些方法多是針對系統中的局部或整體污染進(jìn)行分析研究，未能也很難對系統各個(gè)位置的污染進(jìn)行全境的掃描與分析。
系統的各類(lèi)污染必將在元件表面存留具有相應質(zhì)量的污染物，故通過(guò)系統中各個(gè)位置上污染物的質(zhì)量分布分析，可以清晰地得到系統中各膜段、各膜殼、各元件及元件內部各位置膜片的污染分布。全面了解系統的污染程度分布及污染性質(zhì)分布對于系統結構設計、管路結構優(yōu)化、運行污染防治及元件結構改進(jìn)均具有重要的指導意義。
筆者對典型有機污染系統中不同系統流程位置上的元件、不同高程膜殼中的元件、膜元件中不同高程位置膜片、不同曲率半徑膜片以及不同朝向膜片上的污染物進(jìn)行了嚴格的質(zhì)量分析，從而較全面地剖析了膜系統全境中的有機污染物分布。
1特定系統的膜堆結構與污染性質(zhì)
筆者研究對象為連續運行期為1a的一級兩段6∶4膜殼排列，每殼裝6支LP22-8040元件的反滲透系統，該60支膜元件系統的膜堆結構如圖1所示（圖中i-j表示第i段第j個(gè)膜殼）。
系統水源為天津市政給水，典型的給水、濃水及產(chǎn)水的流量與水質(zhì)如表1所示。
由表1可見(jiàn)，該系統以有機污染為主，且對有機物的系統截留率約為40%。對系統流程首端與末端兩元件中污染物進(jìn)行電鏡-能譜分析，數據如表2所示。
由表2可見(jiàn)，此系統中的污染主要為有機性質(zhì)。
2污染物（相對）質(zhì)量的測定
由于特定系統在1a運行期內是首次進(jìn)行離線(xiàn)清洗，各膜元件不存在流程位置的前后顛倒、膜堆高程中的上下調換以及安裝方位上的角度扭轉等變化，各位置元件及膜片的污染均為原始狀態(tài)，不存在多次交叉污染現象，從而為污染物質(zhì)量分布的分析奠定了基礎。
膜元件中污染物的質(zhì)量即為清洗前后污染元件質(zhì)量的差值，但清洗前后元件的質(zhì)量均存在失水即失重過(guò)程。實(shí)測數據表明，初始質(zhì)量為G0的濕膜元件質(zhì)量Gd，隨直立放置天數d的失重過(guò)程如式（1）所示，試驗的元件質(zhì)量以直立放置8d后的數值為準。
膜片上污染物的質(zhì)量與膜片的面積密切相關(guān)，為消除測試用膜片面積的影響，衡量膜片上污染物質(zhì)量采用污染物相對質(zhì)量指標：
所謂潔凈膜片是將污染膜片在濕潤條件下擦除表面污染物后得到的膜片，而潔凈或污染干膜片質(zhì)量均是將相應濕膜片烘干后的檢測值。膜片質(zhì)量檢測采用Sartorius品牌BP221S型電子天平。
3沿流程的元件污染物質(zhì)量分布
測定系統中沿流程的各污染元件質(zhì)量與各潔凈元件質(zhì)量，實(shí)驗結果表明：系統的潔凈元件平均質(zhì)量為15.37kg，第一段與第二段系統中污染元件的平均質(zhì)量分別為15.98kg與16.38kg，即第一段元件污染物平均質(zhì)量為0.61kg，而第二段為1.01kg。
沿系統流程各元件的膜通量x1、回收率x2及給水有機物濃度x3，構成了元件污染物質(zhì)量G的三大主要因素〔4〕。其中，有機物濃度是污染源，膜通量決定了污染速度，而回收率影響了污染效果。污染系統運行參數：給水溫度25℃，給水pH7.5，濃水pH7.9，系統工作壓力0.75MPa。系統運行1a時(shí)沿系統流程各膜元件的運行參數如表3所示。
如設膜元件污染物質(zhì)量Gx與各污染因素xi的獨立函數關(guān)系均可表示為二次多項式，則系統流程中元件的污染物質(zhì)量Gx與各污染因素xi的函數關(guān)系可表示為最高二次冪函數多項式：
表3中沿系統流程共有12組數據，而式（3）中共計10個(gè)待求系數ai，采用數學(xué)回歸方法可求解式（3）各系數。為使式（3）解中各系數的相對數值能夠表征各系數對應污染因素的影響權重，可將式（3）中各變量進(jìn)行歸一化處理：如變量xi的定義域為（ximin，ximax），則定義歸一化變量xi*為：
在式（4）中以歸一化變量xi*替代原始變量xi并進(jìn)行數學(xué)回歸時(shí)，所得多項式系數的數值差異就表征了相應變量或變量組合對于污染物質(zhì)量的影響程度。歸一化變量對應式（3）方程的解如表4所示。
由表4可見(jiàn)，因a3值遠大于a1與a2，沿系統流程的污染物質(zhì)量主要與給水中污染物濃度線(xiàn)性相關(guān)；且因a8值遠大于a7與a9，元件回收率上升時(shí)的污染物質(zhì)量加速增長(cháng)；污染物質(zhì)量與膜通量成負相關(guān)關(guān)系應理解為污染物濃度與元件回收率兩個(gè)主要因素作用之下的現象。
4依高程的元件污染物質(zhì)量分布
在圖1所示膜堆結構中，相鄰膜殼的安裝高程相差0.36m。系統前后兩段膜殼的不同安裝高程與膜殼內各膜元件的污染物平均質(zhì)量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示（其中各段安裝位置最低膜殼的高程為0）。
由圖2可見(jiàn)，因第二段的給水污染物濃度高于第一段，故第二段元件中污染物質(zhì)量大于第一段；且無(wú)論第一段或第二段，安裝位置越低，膜殼中的污染物質(zhì)量越大。
因同段各膜殼的給水污染物濃度相同且各膜殼收率基本相等，故同段各殼污染物質(zhì)量的差異源于各殼產(chǎn)水通量Fp的差異。如設各膜殼的給濃水滲透壓πfc、產(chǎn)水滲透壓πp及產(chǎn)水壓力Pp均相等，則各殼產(chǎn)水通量的差異只源于各殼給濃水平均工作壓力Pfc的差異（參見(jiàn)反滲透膜過(guò)程模型Fp=A•{（Pfc-Pp）-（πfc-πp）}〔1〕）。
因各段給水均源于給水母管首端，各段濃水匯于濃水母管末端，計算各膜殼給濃水平均工作壓力差異及相應各膜殼產(chǎn)水通量。其中，系統初始運行參數為給水含鹽300mg/L，給水溫度25℃，給水壓力平均0.63MPa，濃水壓力平均0.52MPa，給濃水平均滲透壓0.04MPa。高程每下降0.36m則壓強下降－0.36MPa，給水及濃水管路的沿程損失、局部損失及膜壓降的系統運行參數如表5所示。
由表5可見(jiàn)，系統運行初期第一段各膜殼產(chǎn)水通量?jì)H相差約（19.18/18.55-1）×100%=3.4%。但是，由于低位膜殼中的元件通量較大，將造成其初始污染較重，將形成較大的元件與膜殼壓降；進(jìn)而造成低位膜殼給濃水流量下降，相應元件的濃差極化度上表3系統計算運行參數與污染物質(zhì)量分布升，從而將進(jìn)一步促進(jìn)低位膜殼中元件的污染，1a后低位膜殼元件的平均污染物質(zhì)量大于高位膜殼元件竟達75%。因此，同段不同高程膜殼中污染物的質(zhì)量差異起源于給濃水母管壓降形成的各膜殼給濃水平均壓力差異，而后期各膜殼給水比例的再分配放大了污染物的質(zhì)量差異。
5依高程的膜片污染物質(zhì)量分布
高程位置的差異不僅存在于不同膜殼之間，也存在于殼內元件的不同高程位置的膜片之間。如將膜元件的徑向界面分為8個(gè)方位，則8個(gè)方位區域中心位置的高程呈正弦曲線(xiàn)形式。8個(gè)方位區域內膜片的平均污染物相對質(zhì)量分布也呈正弦曲線(xiàn)形式，如圖3所示。
由圖3可見(jiàn)，膜元件中膜片的污染程度隨膜片在元件中水平位置的升高而降低。
6依朝向的膜片污染物質(zhì)量分布
元件相同位置上，給濃水流道中面向中心管的膜片（簡(jiǎn)稱(chēng)面向膜片）污染物較重，背向中心管的膜片（簡(jiǎn)稱(chēng)背向膜片）污染物較輕，兩類(lèi)膜片的污染物相對質(zhì)量存在0.17%的差值。不同朝向膜片污染物相對質(zhì)量分布如圖4所示。
6.1兩朝向膜片的水通量差異
卷式膜元件的給濃水流道與淡水流道均呈卷式結構，給水從元件給水端徑直流向濃水端，淡水沿卷式流道進(jìn)入淡水中心管，給濃水與淡水兩股徑流的流向呈十字正交，膜元件截面流道示意如圖5所示。
由圖5可見(jiàn)，對于某層給濃水徑流而言，背向膜的淡水進(jìn)入內側淡水流道后的流程較短，淡水背壓Pp較��；面向膜的淡水進(jìn)入外側淡水流道后的流程較長(cháng)，淡水背壓Pp較大。根據膜過(guò)程中產(chǎn)水通量FD與純驅動(dòng)壓的關(guān)系fD=A•{（Pf-Pp）-（πf-πD）}〔1〕，由于給水流道兩側淡水側滲透壓πD相等，給水壓力Pf及滲透壓πf為特定值，面向膜側淡水背壓較高將導致該側產(chǎn)水通量較小，背向膜側淡水背壓較低將導致該側產(chǎn)水通量較大。據此，系統長(cháng)期運行的效果是面向膜污染較輕及污染物質(zhì)量較小。
6.2朝向膜片的受壓形變差異
系統在線(xiàn)運行時(shí)給濃水的工作壓力使膜片產(chǎn)生形變。在工作壓力作用下，面向膜片呈凹形，承受拉力而使膜面積增大；背向膜呈凸形，承受壓力而使膜面積縮小。系統運行時(shí)，設形變后膜面積上的污染速度一致，污染物相對質(zhì)量無(wú)異；但離線(xiàn)檢測時(shí)工作壓力消失，兩向膜片恢復原有面積，因污染物絕對質(zhì)量保持不變，面向膜片上污染物相對質(zhì)量自然增加，而背向膜片上的污染物相對質(zhì)量必然減少。
如果認為膜片在工作壓力作用之下，面向膜的厚度變小，背向膜的厚度變大。由于通量與膜厚度相關(guān)，面向膜的相對通量較大，污染速度相對較快，運行積累的污染物質(zhì)量也就相對較大。
6.3兩朝向膜片的表面流態(tài)差異
若從元件徑向截面觀(guān)察單層給濃水流道，可近似將其視為一個(gè)同心環(huán)形通道。給濃水流道的外側面向膜的濕周大于內側背向膜，即面向膜表面的阻力大于背向膜，則面向膜表面切向流速小于內側。如設給濃水流道內外側的膜通量相等即面向膜與背向膜表面的法向流速相等，則面向膜表面的錯流比較低，從而造成面向膜表面的污染重于背向膜。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
由于上述三項因素中后兩項的作用大于前一項，從而形成了面向膜片的污染重于背向膜片。
7依曲率半徑的膜片污染物質(zhì)量分布
上述不同朝向膜片的污染物質(zhì)量影響因素中，受壓形變與表面流態(tài)兩因素只影響相向兩膜片的污染差異。而產(chǎn)水通量差異的因素不僅影響相向膜片的污染差異，也使與中心管距離不等即曲率半徑不等的膜片產(chǎn)生了不同的污染程度。沿膜元件徑向位置的膜片污染物質(zhì)量具體分布如圖6所示。
由圖6可見(jiàn)，由于靠近中心管相向膜片的產(chǎn)水背壓均小于遠離中心管相向膜片的產(chǎn)水背壓，故前者的產(chǎn)水通量、污染速度及污染程度均大于后者。
