综述：用于可持续工业废水处理的膜过滤技术：重金属去除方法综述

《Desalination》：Membrane filtration technologies for sustainable industrial wastewater treatment: A review of heavy metal removal.

工业废水处理中，膜过滤技术通过高效分离重金属离子和有机污染物，成为解决环境与经济问题的关键。传统方法存在污泥产量高、能耗大等问题，而膜技术如反渗透（RO）、超滤（UF）和纳滤（NF）可显著提升去除效率，同时实现金属回收。然而，膜污染、高成本和材料寿命限制仍是主要挑战。通过优化预处理（如化学沉淀、电化学处理）、表面改性（如等离子体处理、接枝聚合物）及操作条件（压力、温度调控），可降低能耗并延长膜寿命。研究还指出，膜技术结合资源回收（如电镀金属回收）能提升经济可行性，减少环境污染。

　　工业废水是多种工业活动的副产品，包括制造、食品加工、制药、纺织和采矿等。这些废水通常含有不同浓度的重金属，对环境和生物体都有害。然而，这些废水也提供了从废水中选择性回收有价值的金属的机会，这不仅有助于提高废水处理的经济效益，还能促进可持续发展。现有的废水处理方法，如化学沉淀、吸附、凝聚、絮凝和离子交换，虽然在某些方面表现良好，但它们也存在一些缺点，比如产生大量污泥、去除效率较低、在低浓度重金属废水处理中效果有限，以及对pH值变化敏感。而近年来发展起来的纳米技术、电化学凝聚和膜过滤等新技术则提供了更高的去除效率、更优的能源性能和更强的对特定污染物的选择性。

膜过滤技术因其高效性和操作简便性，在处理无机废水方面受到了越来越多的关注。膜过滤是一种通过多孔介质将水中的颗粒物去除的过程。这种技术能够连续运行，不需要再生，相较于吸附和吸收等传统方法，其操作更为简便。此外，膜过滤技术在去除悬浮固体、有机化合物和无机污染物如重金属方面表现出色。膜分离过程的结构配置通常分为均质和非均质两种类型。均质膜在整个截面中具有均匀的成分和物理结构，而非均质膜则在截面中具有不同结构的多层，通常包括一个较薄的、致密的活性层和一个较厚的、多孔的支持层，这使得非均质膜在选择性和通量方面具有优势。

膜过滤技术根据驱动方式可以分为基于平衡和非平衡两种类型，以及基于压力和非压力两种方式。在处理重金属方面，不同类型的膜过滤技术展现出不同的特点。例如，微滤（MF）主要用于去除微米至亚微米范围的颗粒物，而超滤（UF）则能够去除一些溶解离子和大分子有机物。纳滤（NF）能够去除二价离子、有机化合物和小颗粒物，同时允许单价离子如钠和氯通过。反渗透（RO）则能够去除更广泛的污染物，包括盐分、病毒、重金属等，其去除效率通常高达99%。这些技术在去除不同污染物方面各有优势，同时也面临不同的挑战，如膜污染、高能耗和膜寿命等问题。

膜污染是膜过滤技术面临的主要挑战之一，它会导致通量下降、膜选择性降低和膜寿命缩短。膜污染可分为颗粒污染、有机污染、无机污染和生物污染（生物膜）等多种类型。颗粒污染由悬浮固体、微生物、有机物和结垢化合物在膜表面或膜孔中积累引起，这可能降低膜的通量并增加系统压力。有机污染通常由有机物在膜表面形成滤饼，导致通量下降和过滤效率降低。无机污染则主要由无机化合物如碳酸钙、硫酸盐等在膜表面或膜孔中沉积形成。生物污染则涉及微生物在膜表面的附着和繁殖，形成生物膜，这不仅增加了系统的能耗，还可能导致膜性能下降和寿命缩短。

为了克服膜污染问题，研究人员探索了多种策略，包括预处理、膜材料改进和优化操作条件。预处理是通过物理、化学或生物方法去除可能引起膜污染的污染物，如通过凝聚和絮凝去除悬浮颗粒，通过pH调节减少无机污染物的沉积，以及通过添加抗结垢剂抑制无机污染的发生。膜材料的改进，如通过表面修饰提高膜的亲水性和抗污染能力，也是一种有效的方法。表面修饰技术可以分为物理方法，如表面涂层，和化学方法，如表面接枝。这些方法能够减少污染物在膜表面的附着，提高膜的耐用性和操作效率。优化操作条件，如调节温度、压力和流速，有助于控制膜污染，同时保持较高的通量和过滤效率。此外，清洁协议也是维持膜性能的重要手段，包括物理清洁和化学清洁，通过这些方法可以恢复膜的通量并延长其使用寿命。

膜过滤技术在工业废水处理中的应用已经取得了显著进展，特别是在重金属回收方面。不同工业领域对膜过滤技术的需求各异，但其在废水处理中的经济可行性和环境效益得到了广泛认可。例如，在纺织业中，膜过滤技术被用于回收染料、去除有毒污染物和减少对淡水的依赖。在食品和饮料工业中，超滤和纳滤被用于蛋白质回收和果汁浓缩。在采矿业中，膜技术被用于从浸出液和工艺水中提取和回收金属如铜、锌和锂。制药和石油化学工业中，膜技术则有助于溶剂回收、催化剂分离和产品纯化，从而减少原材料的使用并提高产品质量。

尽管膜过滤技术在处理工业废水方面具有诸多优势，如高效去除污染物、操作简便和能源消耗相对较低，但其高昂的资本和运行成本仍然是其大规模应用的主要障碍。因此，未来的研究应着重于开发低成本、耐用的膜材料，以及提高膜系统的生产效率和运行经济性。近年来，一些策略如使用低成本聚合物如聚偏二氟乙烯（PVDF）和纤维素衍生物，以及利用天然或废弃物来源的填料如生物炭和黏土，都为降低膜生产成本和运行费用提供了可能。同时，采用可扩展的绿色制造技术如非溶剂诱导相分离和电纺丝，也为膜技术的可持续发展提供了新思路。当这些方法与膜表面修饰结合时，能够进一步提高膜的耐用性和操作效率，从而促进膜技术在工业和分散式废水处理中的广泛应用。

膜过滤技术在处理工业废水时，不仅有助于去除有害污染物，还能实现资源的回收和再利用。例如，通过膜过滤技术可以回收铜、锌、镍和银等金属，这些金属在电镀和采矿废水中含量较高。膜过滤技术在去除重金属的同时，还能将这些金属浓缩到较小的体积中，从而减少化学品和污泥的使用，使得后续的金属回收过程如电沉积或结晶变得更加经济可行。此外，膜过滤技术还能够降低废水处理的环境影响，如减少污泥的产生和处理成本，同时提高废水的再利用率。

然而，膜过滤技术在实际应用中仍然面临一些挑战，如膜污染、高能耗和膜寿命等问题。为了提高膜过滤技术的经济性和可持续性，需要综合考虑多种因素，如膜的类型、操作条件和预处理步骤。例如，使用超滤膜结合聚合物增强超滤（PEUF）或胶束增强超滤（MEUF）等技术，可以提高膜对重金属的去除效率，特别是在低浓度废水处理中。此外，膜材料的创新和改进，如开发具有更高亲水性和自清洁能力的膜材料，也是提高膜过滤技术性能的关键。同时，膜过滤技术的经济性还受到能源消耗、化学品使用和维护成本的影响，因此，需要通过优化这些因素来提高其整体可行性。

膜过滤技术在工业废水处理中的应用不仅有助于环境的保护，还能促进资源的回收和再利用。例如，通过膜过滤技术可以实现重金属的回收，从而减少对环境的污染并提高经济效益。此外，膜过滤技术还能有效去除有机污染物，如染料、农药和有机溶剂，从而提高水的再利用率。随着技术的不断进步和应用的不断拓展，膜过滤技术在工业废水处理中的重要性将进一步提升。通过持续的研究和开发，膜过滤技术有望克服现有挑战，实现更高效、经济和可持续的废水处理解决方案。