3D两性离子刷接超滤膜用于抗污染废水预处理及提升反渗透海水淡化效果

《Journal of Membrane Science》：3D zwitterionic brush-grafted ultrafiltration membranes for fouling-resistant effluent pretreatment and improved reverse osmosis desalination

三维聚(sulfobetaine methacrylate)伪瓶刷修饰超滤膜显著降低二次污水反渗透预处理中的膜污染，实现仅24%的跨膜压增长。通过优化聚合时间，膜表面亲水性增强，电荷减少，粗糙度降低，有效抑制有机物和细菌吸附，提升RO脱盐效率，为干旱地区饮用水生产提供高效解决方案。

　　本研究探讨了一种创新的超滤（UF）膜改性方法，通过引入三维伪瓶刷结构的聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（poly(SBMA)）聚合物层，显著提升了膜在过滤二次废水处理出水时的抗污染性能。这种改性膜不仅为反渗透（RO）海水淡化提供了一个有效的预处理方案，而且在实际应用中展现出良好的稳定性与可持续性。在水资源日益紧张的背景下，废水回用已成为缓解全球水资源短缺的重要策略，尤其是在干旱和半干旱地区。然而，传统的RO预处理步骤通常依赖于常规的三级处理工艺，如凝聚、絮凝、颗粒过滤和消毒，这些方法在处理不同水质的进水时，其产出的水质量波动较大，从而影响RO系统的运行效率和膜的使用寿命。为此，研究者们开始探索更稳定、更高效的预处理技术，其中超滤膜因其能够可靠地去除悬浮固体、胶体和微生物而成为一种有前景的替代方案。

研究团队开发了一种新型的聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）伪瓶刷结构，该结构通过自由基聚合和活性阴离子聚合（AGET-ATRP）技术，从聚醚砜（PES）超滤膜表面进行接枝。这种改性方法在实验中表现出优异的抗污染能力，特别是在过滤二次废水处理出水时，其跨膜压（TMP）仅增加了24%。通过表面表征和石英晶体微天平（QCM-D）测量，研究团队发现改性膜在减少细菌沉积和有机物吸附方面表现出更强的抗污染特性。此外，使用这种改性膜处理后的出水质量优于传统的三级处理工艺，这使得后续的RO海水淡化过程更加高效且稳定，表现为跨膜压在12小时内的变化幅度较小。

为了进一步验证这种改性膜的性能，研究团队在真实二次废水处理出水的条件下进行了24小时和5天的过滤实验。实验结果表明，与未改性的PES膜相比，改性膜在长时间运行中表现出更稳定的性能。同时，QCM-D分析支持了伪瓶刷结构的抗污染特性，认为其优异的抗污染能力源于提高的亲水性和空间位阻效应，这有助于减少有机物的吸附。此外，实验还显示，通过这种改性膜处理后的出水，能够显著提高RO海水淡化的效率，减少膜污染，延长膜的使用寿命，从而降低运营成本。

在实际应用中，这种改性膜不仅能够有效去除废水中的有机污染物和微生物，还能够保持较高的水通量，确保水回收率高达95%。这一性能对于水资源稀缺地区的水处理系统具有重要意义，因为高回收率意味着更多的水可以被利用，而较少的废水被排放。此外，研究还指出，这种改性方法具有高度的灵活性，可以应用于不同类型的膜材料，并且可以通过优化刷结构来进一步提升其性能。

从材料和方法的角度来看，研究团队使用了一系列先进的表征技术，包括衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、水接触角（CAw）测量、电位测量、原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）等，以确认膜的改性效果和性能变化。这些技术不仅能够检测膜表面和截面的物理化学特性，还能评估其分离性能，如通量和分子量截留值（MWCO）。研究还通过QCM-D实验分析了改性膜与污染物之间的相互作用，进一步揭示了其抗污染机制。

在实验结果部分，研究团队详细描述了不同改性时间对膜性能的影响。随着接枝时间的延长，膜的亲水性显著提高，表面电荷和粗糙度降低，从而改善了其抗污染性能。在24小时和5天的过滤实验中，改性膜表现出更优的抗污染能力，其跨膜压的变化幅度远低于传统膜。此外，实验还表明，这种改性膜在长期运行中能够有效防止不可逆的污染层形成，这在废水处理过程中尤为重要，因为不可逆污染会显著降低膜的效率并增加维护成本。

在RO海水淡化实验中，研究团队对比了使用改性膜处理后的出水与传统三级处理后的出水在RO过程中的表现。结果显示，改性膜处理后的出水在RO过程中表现出更稳定的跨膜压变化，说明其预处理效果更优。同时，通过SEM和ATR-FTIR分析，研究团队进一步验证了改性膜在防止污染物沉积和维持膜表面结构方面的优势。这些结果不仅为水处理技术的发展提供了新的思路，也为解决膜污染问题提供了实际可行的解决方案。

综上所述，本研究提出了一种通过AGET-SI-ATRP技术接枝伪瓶刷结构的PES超滤膜，显著提升了其在废水处理中的抗污染能力。这种改性膜不仅在实验室条件下表现出优异的性能，而且在实际应用中也显示出良好的稳定性和可扩展性。研究团队通过系统的实验设计和先进的表征手段，揭示了伪瓶刷结构在抗污染中的关键作用，并为未来的膜材料优化和水处理技术发展提供了重要的理论支持和实践指导。该成果对于推动可持续水处理技术的发展，提高水资源利用率，减少环境影响，具有重要的现实意义。