从纳滤膜中去除多糖污染物的机制：清洁效率、钙离子螯合作用与污染物物理性质之间的相互作用

《ACS ES&T Engineering》：Mechanisms of Polysaccharide Foulant Removal from Nanofiltration Membranes: Interplay between Cleaning Efficiency, Calcium Sequestration, and Foulant Mechanics

膜污染控制机制研究：采用柠檬酸作为螯合剂，分析pH 2.3-7及不同浓度下对Ca2+海藻酸污染醋酸纤维素纳米滤膜的清洗效果。通过测定污染层成分、粘弹性模量及杨氏模量发现，中性pH下低浓度柠檬酸（≤1 mM）通过非溶解性清洗机制使凝胶软化，降低杨氏模量10倍并恢复液态流变特性；高浓度柠檬酸（1-3 mM）则引发溶解性清洗，但渗透恢复率受强污染膜-污染物粘附力限制（约80%）。实验还表明，pH 2.3清洗无效但中和后可恢复约80%渗透性能，且清洗效率与膜面流速（Re 450-1080）无关。

　　

由于基于膜的水处理系统中不可避免地会发生污染，因此膜清洗至关重要。然而，类水凝胶有机污染物与清洗剂之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响污染物的聚集性、流变性质，最终影响清洗效率，目前仍知之甚少。在这里，我们利用柠檬酸作为模型螯合剂，阐明了Ca²⁺与藻酸盐污染的醋酸纤维素纳滤膜的清洗机制。我们确定了污染物的组成（钙含量），并研究了在2.3 ≤ pH ≤ 7（与醋酸纤维素的pH耐受范围一致）以及不同螯合剂浓度下的流变（弹性和粘性模量）和机械（杨氏模量）性质，以解释横流实验中观察到的清洗效率。在中性pH值和≤1 mM柠檬酸条件下，钙的提取使凝胶软化，导致流变性质类似液体，并使杨氏模量降低了10倍，这与由污染物聚集性破坏引起的非溶解性清洗机制一致。在较高的柠檬酸浓度下（将每克藻酸盐中的Ca²⁺含量从约100毫克降低到约30毫克），清洗过程通过溶解性机制进行，尽管渗透率恢复仅达到原始膜的约80%。在清洗和超声处理过程中，随着横流速度的增加（450 ≤ Re ≤ 1080），也观察到了类似的恢复限制，这表明强烈的污染物-膜粘附力阻碍了膜渗透率的完全恢复。在pH 2.3条件下进行清洗无效，因为藻酸的结构完整性使其无法被有效清除；随后将pH值中和至7后，渗透率恢复了约80%。