利用负载型液膜接触器从富含铵的废水中选择性回收氨氮：有机萃取剂、膜孔径及膜可重复使用性的影响

《Journal of Membrane Science》：Selective Recovery of Ammonium Nitrogen from Ammonium-Rich Wastewater Using a Supported Liquid Membrane Contactor: Effect of Organic Extractant, Membrane Pore Size, and Reusability

选择性回收高浓度氨氮废水中的铵离子资源化利用技术，采用聚偏氟乙烯膜浸渍三级胺萃取剂，通过支持液体膜接触器实现高效分离。研究表明，孔径0.45μm的THA浸渍膜回收效率达93%，较原膜提升56%，且抗污染性能优异，膜表面接触角变化小于5°，传质机制为离子对形成与扩散。技术优势体现在中性pH操作、低能耗及资源回收双重效益，为氮循环经济提供新范式

　　本研究聚焦于一种创新的资源回收技术，旨在从高浓度氨氮（NH??-N）的废水，如厌氧消化出水（ADE）中，实现高效的氨氮回收。NH??-N是厌氧消化过程中有机氮的主要转化产物，其在水相中的高浓度不仅对环境造成潜在威胁，还限制了传统氮去除技术的应用。因此，开发一种能够有效、选择性地回收氨氮的技术具有重要的现实意义。支持液膜接触器（SLMC）作为一种新兴的膜分离技术，展现出在氨氮回收方面的独特优势。该技术结合了膜分离与液液溶剂萃取的优点，能够实现对溶解性目标物质的高效提取，同时避免了传统方法中常见的相混合问题。

在本研究中，研究人员采用不同孔径（0.1、0.22、0.45 μm）的疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜，并将其浸渍于三种基于三级胺的有机萃取剂中，包括三己胺（THA）、三辛胺（TOA）和三十二烷胺（TDA）。通过系统评估这些材料对NH??-N回收效率的影响，研究发现THA浸渍的膜在回收效率方面表现最优，达到了93.0%±0.14%。这一结果归因于THA与NH??-N之间的协同作用，使得目标物质能够更有效地通过膜进行传输。相比之下，未浸渍的PVDF膜表现出显著的湿润现象和膜污染，其接触角下降了56%，表面能增加，这表明其疏水性有所降低，影响了其在长期运行中的稳定性。

膜的湿润性和污染行为是影响SLMC系统运行效率的关键因素。研究发现，THA浸渍的膜能够有效保持其表面完整性，即使在长时间运行过程中，其接触角和表面能的变化也较小，显示出对膜污染的更强抵抗力。这一特性使得THA浸渍的膜在实际应用中更具优势，能够实现更稳定的运行和更高的回收效率。此外，THA的长链结构不仅增强了其疏水性，还提高了有机相在膜孔中的稳定性，从而改善了整体的分离性能。相比之下，短链萃取剂虽然能够提供更大的结合位点，但在高浓度或成分复杂的废水处理中，其稳定性相对较弱，难以维持长期高效的分离效果。

研究还进一步探讨了SLMC系统在不同操作条件下的表现，包括pH值和温度的变化。实验表明，SLMC系统能够在中性pH条件下实现高效的NH??-N回收，而不需要像传统方法那样依赖碱性条件。这种特性不仅降低了化学试剂的消耗，还减少了运行成本，提高了系统的经济可行性。此外，SLMC系统在处理高浓度废水时表现出更强的适应性，能够有效应对成分波动带来的挑战。相比之下，传统的物理化学方法，如空气吹脱、离子交换和化学沉淀，往往需要较高的能量消耗和复杂的预处理步骤，且容易产生二次污染，这在实际应用中限制了其推广。

从环境和资源管理的角度来看，SLMC技术为实现闭环氮管理提供了新的路径。通过将NH??-N从废水中选择性地回收，不仅可以减少氮排放对水体生态系统的负面影响，如富营养化、藻类繁殖和缺氧现象，还能将氨氮转化为有价值的资源，如硫酸铵和硝酸铵，用于农业和工业用途。这种资源导向的处理策略不仅符合循环经济的原则，还能够提高废水处理的可持续性。此外，SLMC系统具备模块化设计和高表面积比的特点，使其在分散式或现场废水处理中更具应用潜力。

在本研究中，研究人员不仅关注NH??-N的回收效率，还对SLMC系统的可重复使用性和膜污染行为进行了深入评估。通过实验分析，他们发现THA浸渍的膜在多次运行后仍能保持良好的分离性能，而未浸渍的膜则容易发生污染，导致其性能下降。这一结果表明，SLMC系统在实际应用中具有较高的可重复使用性，能够减少资源浪费和运行成本。此外，研究还揭示了THA与NH??-N之间的相互作用机制，即在膜的两侧形成离子对，通过扩散和pH梯度实现氨氮的高效传输。这一机制为优化SLMC系统的运行参数提供了理论依据。

从技术应用的角度来看，SLMC系统在处理高浓度氨氮废水方面具有显著的优势。传统的氮去除技术，如生物脱氮，往往受到高浓度NH??-N对微生物活性的抑制影响，导致处理效率下降。而SLMC系统则能够通过化学调控和物理分离的结合，实现对氨氮的高效回收，同时避免微生物活性的损失。这种技术不仅提高了处理效率，还增强了系统的稳定性，使其能够适应不同的废水处理需求。此外，SLMC系统在操作过程中产生的气体较少，减少了对环境的二次污染，符合可持续发展的要求。

本研究的成果为未来的废水处理技术发展提供了重要的参考。通过优化有机萃取剂的类型和膜的孔径，研究人员能够进一步提高SLMC系统的回收效率和运行稳定性。此外，研究还表明，THA浸渍的膜在处理高浓度废水时表现出更强的抗污染能力，这为其在实际应用中的推广提供了保障。从长远来看，SLMC技术有望成为传统氮去除技术的替代方案，推动废水处理行业向更加环保和资源高效的方向发展。

研究还强调了SLMC技术在资源回收中的经济价值。通过将氨氮转化为有价值的化学品，不仅能够提高废水处理的收益，还能减少对环境的负担。这种技术的推广有助于实现资源的闭环管理，促进循环经济的发展。此外，SLMC系统在模块化设计上的优势，使其能够灵活适应不同的处理规模和应用场景，从而提高技术的适用性。在实际应用中，这种技术可以与其他废水处理技术相结合，形成更加综合的处理方案，提高整体的处理效率和资源回收率。

在实验设计方面，研究人员采用了多种分析手段，包括接触角测量、表面能分析和膜污染评估。这些方法能够全面反映膜的物理化学特性及其在实际应用中的表现。通过对比不同孔径和不同萃取剂对膜性能的影响，研究人员能够进一步优化SLMC系统的运行参数，提高其在实际应用中的效率。此外，研究还考虑了pH值对NH??-N回收的影响，发现中性pH条件下SLMC系统能够实现较高的回收效率，而不需要额外的化学试剂或操作条件的调整。这种特性使得SLMC系统在实际应用中更加便捷和经济。

研究还揭示了SLMC系统在处理高浓度氨氮废水时的环境效益。通过减少氮排放，SLMC系统能够有效降低水体富营养化的风险，改善水生态环境。此外，该技术在处理过程中产生的二次污染较少，符合环保要求。这些环境效益使得SLMC系统在实际应用中更具吸引力，尤其是在需要处理高浓度氨氮废水的工业和农业领域。研究还表明，SLMC系统能够适应不同的废水处理需求，提高处理的灵活性和适应性。

从未来的发展方向来看，SLMC技术仍有许多优化空间。例如，研究人员可以进一步探索不同类型的有机萃取剂对NH??-N回收效率的影响，以找到最适合特定应用场景的萃取剂。此外，还可以通过改进膜的结构和材料，提高其在高浓度废水中的稳定性和抗污染能力。这些优化措施不仅能够提高SLMC系统的性能，还能扩大其在不同废水处理领域的应用范围。

总之，本研究通过系统评估SLMC系统在高浓度氨氮废水中的表现，揭示了其在资源回收和环境治理方面的潜力。研究结果表明，THA浸渍的膜在回收效率、抗污染能力和运行稳定性方面均优于未浸渍的膜，为SLMC技术的实际应用提供了重要的支持。未来，随着技术的进一步发展和优化，SLMC系统有望成为一种更加环保、经济和高效的废水处理方案，推动废水处理行业向可持续发展方向迈进。