低压反渗透膜老化与异质性对病毒和微塑料截留性能的影响机制研究

为解决淡水处理中病毒和微塑料污染难题，研究人员系统研究了低压反渗透膜(LPRO)长期老化与空间异质性对截留性能的影响。通过对比新旧膜渗透性、盐截留率及病毒/微塑料截留效率，发现老化导致膜渗透性增加而盐截留率下降，但病毒和微塑料仍被完全截留；模块内机械变形区域性能退化显著，而膜缺陷会引发病毒泄漏。该研究为饮用水安全处理提供了关键数据支撑。

　　

随着全球淡水需求激增和新兴污染物涌现，传统水处理技术面临严峻挑战。病毒和微塑料等微小污染物能穿透超滤(UF)膜进入出水，而高压反渗透(RO)虽能有效截留却因能耗过高难以普及。低压反渗透(LPRO)技术被视为理想折中方案，但其长期运行性能演变规律尚不明确，特别是膜老化与空间异质性对截留效率的影响机制亟待阐明。

法国研究团队在《Separation and Purification Technology》发表的重要研究，通过多尺度分析方法揭示了LPRO膜性能退化规律。研究人员采用实验室与半工业级中试装置，对比分析了CSM RE2540-BE和Toray TMH10A两种新型与老化膜的性能差异。关键技术包括：扫描电镜(SEM)表征膜表面形貌，跨膜流动池测定渗透性，傅里叶变换红外显微光谱(μ-FTIR)检测微塑料，以及(RT)-qPCR结合感染性试验定量三种病毒(ADV 41、CV-B5、MS2噬菌体)。

研究结果部分：

1. 膜老化影响
   自然老化950天的膜显示渗透性增加1.8倍（从3.3升至5.6 L·h^-1·m^-2·bar^-1），NaCl截留率从99.7%降至98.1%。值得注意的是，病毒和40μm级聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微塑料仍保持完全截留，证实完整聚酰胺薄膜的物理截留机制。

2. 空间异质性
   螺旋缠绕模块中，靠近进料端的1号样品受机械应力影响最大，其渗透性(6.6 L·h^-1·m^-2·bar^-1)比末端9号样品高12%，盐截留率最低降至95.5%。SEM显示这些区域存在明显褶皱，印证了压力梯度导致的非均匀老化。

3. 膜缺陷效应
   在占膜面积1%的宏观褶皱区域，盐截留率骤降14-24%，更关键的是首次观察到病毒穿透现象：MS2基因组拷贝数达946个/渗透液，感染性病毒检出7个。而微塑料因尺寸优势仍被完全截留，凸显不同污染物的截留机制差异。

这项研究颠覆了传统认知：病毒穿透主要源于模块密封圈(O-ring)泄漏和膜缺陷，而非完整膜结构本身。研究提出的多尺度评估框架（整机-膜片-缺陷区域）为膜工艺优化提供了新思路，指导了饮用水处理中膜组件更换周期和故障诊断标准的制定。特别是发现机械应力集中区域（模块起始端和弯曲部位）需重点监控，这对延长膜寿命、保障出水安全具有重要工程实践价值。