台灣過濾與分離學會電子報2024年第4期

研究新知

◎溫度對膜過濾的影響

        膜技術在飲用水和廢水處理中發揮關鍵的作用，在影響膜性能的眾多因素中，溫度是決定膜性能的主導因素之一。文獻指出，低溫對膜結構、汙垢和化學清洗有不利影響，因此可能對膜過濾操作和性能產生負面影響，而溫暖和高溫可能會擴大膜孔，增加膜通量，改善膜化學性能清潔效率，並干擾膜生物反應器中的生物過程。吾人應了解溫度對水和廢水處理中使用的膜性質的影響，並開發可以減少溫度對膜操作的不良影響。

溫度對膜系統的影響類型。

溫度對膜汙染的影響

        膜汙染是使用薄膜過濾進行水處理的重要障礙，溫度可以促進或減輕由於溫度變化引起的汙垢性質變化。例如，將MBR的運行溫度降低至10°C以下會顯著增加MBR系統上清液中的細胞外聚合物（EPS）、可溶性微生物產物（SMP）、蛋白質、多醣和可溶性化學需氧量（COD）濃度，這些生物聚合物會導致膜汙染，導致毛細管吸入時間（CST）和稀釋汙泥體積指數（DSVI）在較低溫度下也較高，使得汙泥難以沉澱和脫水。因此，低溫（8.7-10°C）的膜汙染率高於高溫（19.7-20°C）下的膜汙染率。

        正向滲透（FO）膜系統用於淨化50°C高溫的原水時，較高的溫度降低了內部濃度極化和黏度，導致滲透通量增加，由於存在更多可溶性有機物質以及增強膜表面有機物的反向擴散，FO 膜的汙染也較少。在陶瓷超濾系統的研究中，由於水黏度的變化，與20°C時的通量相比，在5°C時觀察到最低過濾通量，並且在35°C時觀察到最高通量。較低的溫度對天然有機物（NOM）的截留效率提高至88%，此乃較低溫度改變汙垢層結構並增加 NOM 尺寸之故，並且獲得較低的液壓和化學清潔效率。若是高黏度和惡化的結垢條件，在低溫（5°C）下將導致陶瓷超濾膜壓力增加，產生更多的不可逆汙垢，堵塞膜孔內部。

        總而言之，給水/運行溫度影響膜汙染情形。5-15°C內的低給水/運轉溫度和特定溫度範圍（5-35°C）內的運轉，溫度降低會增加薄膜汙染。在較低溫度下運作的 MBR 會產生更強的抗絮凝作用，進而產生更小的汙泥顆粒和 EPS 生成。同時，COD生物降解速度減慢導致有機物增多，加劇結垢狀況。另一方面，高溫的影響並不一致，可以增加或減少膜結垢、汙垢尺寸和濾餅阻力。低給水/運轉溫度也會導致嚴重的結垢條件和厚厚的結垢層，導致水處理或海水淡化所用薄膜的 TMP 較高和雜質截留率發生變化。

溫度對膜汙染和汙垢性質影響的整理。

溫度對膜反應器性能的影響

        對MBR來說，溫度被認為是影響生物反應的重要因素，進而影響MBR的性能，但有些研究結果並不一致。例如，當城市廢水在垂直浸沒式MBR中處理溫度為13-25°C時，不同溫度環境下汙染物去除效率沒有差異，均達到可接受的去除效率。另一研究檢視十個處理城市廢水的試驗和全規模MBR，發現9.7-27.4°C的溫度不會影響活性汙泥的表觀黏度。

        在實驗室規模的錯流FO系統中，溫度從20°C升高到40°C，由於熱對流增加和水黏度降低，促使膜的水通量增加。在肥料驅動的FO反應器中，在45°C時，黏度降低、水通量增加、反向離子通量下降和比反向離子通量增加，其中反向鹽通量下降可以減輕結垢傾向。

        整體而言，文獻顯示溫度影響膜過濾操作的性能，主要在較低的操作溫度下觀察到膜通量和/或滲透性的降低，這也導致生物反應器的生物降解緩慢。在室溫以上運行可能會導致水黏度、TMP和反沖洗壓力降低，反之亦然。

溫度對過濾和膜性能影響的整理。

溫度對膜結構和完整性的影響

        關於溫度對膜結構和完整性影響的研究很少。孔徑變化是不同溫度下膜結構差異的微觀表現，奈米濾膜在不同熱條件下的孔徑差異研究中發現，中等大小的溶質分子（例如葡萄糖、乙醇、乙二醇、甘油、叔丁醇和木糖）的截留效率隨著溫度的降低而增加。當溫度從5 ℃變化到41℃時，兩種商用奈米濾膜的平均孔徑增加了21%和12%。另一奈米過濾研究中發現，當溫度從20 °C升高到40 °C時，聚醯胺膜的膜孔擴大了13%，膜孔徑增加和溶質擴散會對汙染物截留產生不利影響，且膜孔徑與溫度變化下的電荷排斥效應不相關。

        其他研究指出，當固化溫度從25 °C 變成5 °C 時，鬆散和緊密奈米濾膜兩種膜的孔徑分別降低14%和10%，純水滲透率損失分別為42%與50%。較低的溫度增加對中性和帶正電微物質的排斥。然而，溫度降低（5-25°C）對帶負電荷的微汙染物（如氯貝酸、萘啶酸、布洛芬、甲芬那酸、雙氯芬酸、吲哚美辛、苯扎貝特和坎地沙坦）的去除沒有影響，因為兩者都帶有負電荷，負電荷靜電斥力補償了膜和汙染物之間在較高溫度下由孔擴張引起的較弱的阻礙。

        很少研究低工作溫度下的膜完整性，已知低溫降低了微濾膜的擴散空氣流速和壓力衰減率，並且極低的水溫（約 0°C）可能掩蓋膜缺陷。

溫度對結構和完整性影響的整理。

溫度對膜清洗的影響

        膜清洗對於維持過濾通量並恢復膜過濾操作期間的性能是必要的，膜清洗包括物理清洗和化學清洗。化學清洗是利用清潔劑的氧化、酸性、鹼性、螯合等化學性質，分解、溶解、分離附著在汙染膜表面和孔隙內部的汙垢。清潔溫度可能不會影響某些薄膜特性，例如20-34°C的化學清洗溫度對膜的zeta電位和表面電荷沒有顯著的影響，而清潔劑和pH值則有明顯影響。溫度主要影響化學反應動力學，因此影響化學清潔的速率和有效性。提高膜清洗溫度通常可以透過促進質傳過程和固體溶解度來提高清洗效果。

        由於膜材料對高溫具有特定的耐受性，因此清洗溫度不能無限提高。因此，最佳清潔溫度不一定較高。例如用於處理工業廢水的聚醯胺膜在15 °C、25 °C、35 °C 和 45 °C 下進行清洗，實驗結果發現，15 °C的低清洗溫度在助焊劑回收方面的化學清洗效率較低。相較之下，45 °C下的清潔效果與35 °C下的清潔效率相同]。因此，無須採用高於35℃的薄膜清洗溫度，應確定最佳化的清洗溫度以平衡工業應用中的薄膜清洗效率和能耗。

        綜合溫度對膜分離性能的影響，與室溫（約20℃）下不同應用情況下的膜過濾性能相比，較冷的水溫會導致膜通量和/或滲透率降低，膜汙染率增加，膜孔徑縮小，膜化學清洗效率降低。另一方面，較高的溫度（在中溫溫度範圍內）將逆轉由較低溫度引起的膜性能趨勢。

溫度對清潔影響的整理。

結論

        許多用於水和廢水處理的薄膜過濾工廠可能會遇到季節性溫度變化，這取決於這些工廠的地理位置。給水/工作溫度的變化可能會顯著影響薄膜過濾系統的薄膜結構、性能、結垢和清潔。在大多數情況下，低溫會對膜過濾操作期間的生物反應和膜性能產生更不利的條件。需要進一步研究最小化低溫影響的策略和動態膜結構變化的數學模型。儘管科學家和工程師仍在致力於補償和抵消冷給水的不利影響，但目前的研究結果不足以幫助工業運作來應對這個問題。然而，吾人應該克服甚至操縱溫度影響，以使薄膜技術在飲用水和廢水處理中更具效益。

資料來源：

1. Xu, B.; Gao, W.; Liao, B.; Bai, H.; Qiao, Y.; Turek, W. A Review of Temperature Effects on Membrane Filtration. Membranes 2024, 14, 5. https://doi.org/10.3390/membranes14010005

台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society