低压膜在不利相互作用条件下天然有机胶体污染的渗透-选择性关系研究

推荐：针对低压膜(LPM)在污水处理中因有机胶体(OC)沉积导致的渗透性下降问题，研究人员通过柱过滤实验和孔隙收缩模型，揭示了OC在聚偏氟乙烯(PVDF)和聚氯乙烯(PVC)树脂上的沉积系数(α)差异及对膜选择性的影响，为膜污染控制提供了理论依据。

　　

在水处理和污水处理领域，低压膜(Low Pressure Membrane, LPM)技术因其低能耗、高效率和小占地面积等优势，成为极具前景的技术选择。然而，膜污染问题一直是制约其广泛应用的主要瓶颈。有机胶体(Organic Colloids, OC)作为天然水体和废水中的重要成分，不仅会导致膜渗透性下降，还会影响膜的选择性，进而增加能耗和化学清洗频率，缩短膜的使用寿命。尽管过去的研究已经对膜污染有了一定认识，但OC在膜孔隙内的沉积机制及其对膜性能的影响仍不明确。

为了深入探究这一问题，中国国家自然科学基金资助项目（No. 51920105012）支持的研究团队开展了一项系统研究。研究人员聚焦于天然地表水和二级污水处理出水中的OC，通过柱过滤实验和模型分析，揭示了OC在低压膜上的沉积行为及其对膜渗透性和选择性的影响机制。相关成果发表在《Journal of Environmental Sciences》上，为膜技术的优化和可持续运行提供了重要理论依据。

研究采用了多种关键技术方法：首先，通过尺寸排阻色谱与有机碳检测联用技术(SEC-OCD)分析了水样中OC的分子量分布；其次，利用填充有PVDF和PVC树脂的过滤柱模拟膜过滤过程，量化OC的沉积系数(α)；最后，结合孔隙收缩模型，阐明了OC沉积对膜性能的影响。

天然地表水与二级污水处理出水的有机质特性
研究发现，两种水样的SEC-OCD色谱图均显示三个主要有机峰：高分子量(HMW)峰（约80 kDa）、中分子量(MMW)峰（800-1000 Da）和低分子量(LMW)峰（数十至数百Da）。污水处理出水的OC沉积系数(α)显著高于天然地表水，表明其更易在膜上沉积。

低压多孔膜的特性
研究选用了两种商用中空纤维膜：超滤(UF)膜和微滤(MF)膜。通过对比发现，OC在UF膜狭窄孔隙内形成单层沉积，而在MF膜大孔隙中则形成多层沉积，这种差异直接影响膜的清洗效果和长期性能。

讨论
研究指出，OC与膜的相互作用受胶体尺寸和zeta电位影响显著。在不利附着条件下（即胶体与膜材料间排斥作用占主导），OC仍可通过弱吸附作用沉积在膜表面或孔隙内。这种沉积会同时改变膜的渗透性和选择性：渗透性降低，而选择性提高，具体程度取决于膜的特性。

结论
该研究首次系统阐明了低压膜在不利相互作用条件下OC污染的机制：

• 内孔OC沉积通过孔隙收缩效应显著改变膜的渗透-选择性关系
• 污水处理出水的OC沉积倾向高于天然水体，PVDF树脂的α值(0.010)是PVC树脂(0.0050)的两倍
• 在UF和MF膜中分别形成单层和多层沉积结构
• 弱吸附沉积可通过改变流体力学条件或粘附作用实现可逆清除

这项研究不仅深化了对膜污染机制的理解，还为优化膜清洗策略、延长膜使用寿命提供了理论指导，对推动膜技术在水和污水处理中的可持续应用具有重要意义。研究特别指出，针对不同水源特性（如天然水体与污水）和膜类型（UF与MF），需要制定差异化的污染控制策略，这对实际工程应用具有重要参考价值。