使用负载型聚乙烯醇（PVA）膜对可溶性矿物质进行有机酸交叉流过滤

《Journal of Water Process Engineering》：Cross-flow filtration of soluble minerals from organic acid using a supported polyvinyl alcohol (PVA) membrane

本研究通过调节聚乙烯醇（PVA）膜的厚度和柠檬酸（CA）浓度，探究CA作为交联剂对PVA膜性能的影响。结果表明，较薄膜（1mm）在镁离子回收率（45%）和钾离子通量方面更优，而较厚膜（2mm）在总有机碳过滤效率上表现更好。CA交联增强了机械强度但降低了水损失率，交叉流过滤技术有效减少膜污染，为废水处理和食品澄清应用提供优化方案。

　　本研究探讨了柠檬酸（CA）作为交联剂对聚乙烯醇（PVA）膜性能的影响，特别是针对从腐殖酸溶液中分离可溶性离子的应用。研究的主要目标是通过调整膜的厚度（1毫米和2毫米）以及柠檬酸的浓度（5%和7%重量百分比），优化PVA-CA膜在离子分离中的表现。实验结果显示，较薄的膜（PVA1）通常表现出更高的离子回收率，其中PVA1-CA5膜在镁离子回收方面达到了45%，而PVA2-CA5膜则为40%。钾离子的回收率也较为显著，PVA1-CA5膜的回收速率为0.953 mmol·m?2·h?1，PVA2-CA5膜为0.961 mmol·m?2·h?1。相比之下，较厚的膜（PVA2）在过滤效率方面表现更佳，能够有效降低透过液中的总有机碳（TOC）含量。此外，膜的机械性能，如拉伸强度和杨氏模量，也受到柠檬酸添加量的显著影响，其中PVA1膜表现出最高的拉伸强度，为2.165 MPa，随着柠檬酸浓度的增加，该强度有所下降。同时，水损失率在不同膜中也有所差异，PVA1膜的水损失率最高，为0.447 L·m?2·h?1，而PVA1-CA5膜由于交联度的提高，水损失率下降至0.292 L·m?2·h?1。这些发现表明，膜的性能、离子回收率以及过滤效率之间存在密切关系，为优化PVA基膜在废水处理中的应用提供了重要的参考依据。

PVA水凝胶因其独特的性质，如生物相容性、高亲水性和可调节的离子导电性，已成为离子分离膜的有前景材料。制备PVA水凝胶的方法，如冷冻-解冻（FT）循环，对水凝胶的结构完整性及离子回收能力具有决定性作用。FT过程有助于在水凝胶中形成微晶域，这些微晶域作为物理交联点，能够增强膜的机械强度，同时为离子传输提供通道。然而，PVA本身存在一些主要缺点，例如高水渗透性、低质子导电性和显著的膨胀现象，这些都需要通过结构修饰加以改善。研究表明，交联剂能够提高PVA的稳定性和导电性，而PVA通常缺乏负电荷基团，如磺酸（–SO??）和羧酸（–COO?）基团，导致其导电性较低。引入这些基团可以增强PVA膜的热稳定性和离子导电性。

本研究关注的是在有机酸溶液中利用PVA-CA膜进行可溶性矿物分离的潜力，特别是在跨流过滤（CFF）系统中的应用。CFF，也称为切向流过滤（TFF），是一种通过连续切向流动来减少膜污染的过滤过程。CFF相比传统的死端过滤系统具有显著优势，特别是在涉及阳离子传输的应用中。CFF的一个主要优点是其能够减少堵塞现象，这是死端系统中的一个常见问题。在死端系统中，颗粒会在滤膜表面堆积，导致膜污染加剧，过滤效率下降。相反，CFF通过让进料溶液沿膜表面切向流动，有助于持续去除滞留的颗粒，从而保持更稳定的过滤性能。CFF已被证明能够提高多种材料，包括阳离子的分离效率。切向流动不仅降低了堵塞的可能性，还促进了膜表面的物质传递，这对于实现高效的分离过程至关重要。

为了深入了解CA对PVA膜结构的影响，本研究采用扫描电子显微镜（SEM）分析来观察不同CA浓度下的膜形态结构。通过改变膜的厚度和CA的浓度，可以进一步研究这些参数对膜结构完整性的影响。研究结果表明，膜的厚度和交联密度在决定其物理化学性质方面起着关键作用。较薄的膜可能在离子传输方面更具优势，而较厚的膜则可能在过滤效率方面表现更佳。这种结构上的差异对膜在实际应用中的表现具有重要影响。

此外，本研究还强调了在废水处理中分离可溶性矿物的重要性。在多个工业领域，如市政、农业和矿物开采，高效地分离可溶性矿物是实现环境可持续性、资源回收以及遵守法规框架的关键。其中，金属离子的去除尤为重要，例如钙（Ca2?）、镁（Mg2?）、铁（Fe2?）和锰（Mn2?）等离子体。这些离子在工业废水中普遍存在，且对水质具有显著影响。例如，钙和镁是导致水硬度的主要因素，而传统的去除方法，如化学沉淀和电化学还原，存在诸如化学用量大、能耗高以及产生大量废弃物等缺点，可能导致二次污染。在食品和饮料工业中，高效的矿物分离有助于果汁的澄清，去除不必要的矿物质，从而改善口感和稳定性。例如，通过电渗析方法去除乳酸中钙和其他矿物质，能够显著提升乳制品的质地和品质，说明矿物分离在优化产品质量和消费者接受度方面的重要性。在应对水资源短缺和海水淡化的问题上，从废水中分离矿物同样具有关键意义。先进的膜过滤技术，如反渗透和纳滤，已被广泛应用于海水淡化厂，以有效去除溶解的盐分，包括钙和镁等离子体。这些技术的成功实施在缓解水资源短缺方面发挥了重要作用，同时确保处理后的水质不受影响。

为了实现上述目标，本研究采用了一种成本低廉且环保的方法，通过调整PVA和CA的配方，优化膜的性能和生物相容性。PVA基膜不仅能够提高可溶性离子的分离和回收效率，还能够在废水处理过程中减少对环境的影响。通过系统地研究CA对膜性能的影响，本研究为开发更高效、更环保的离子分离膜提供了理论依据和实验支持。

研究结果表明，CA的添加显著影响了PVA膜的物理化学和机械性能。通过改变CA的浓度和膜的厚度，可以调节膜的结构和功能，从而满足不同应用场景的需求。在实际应用中，PVA膜的性能不仅取决于其化学成分，还与制备工艺密切相关。例如，冷冻-解冻循环可以促进微晶域的形成，增强膜的机械强度，同时为离子传输提供通道。然而，PVA膜的高水渗透性和低质子导电性限制了其在某些应用场景中的使用。因此，通过引入交联剂，如CA，可以有效改善这些性能。CA不仅作为交联剂，还能够显著提高离子导电性。CA中的羧基（–COOH）在多个机制中起着关键作用，包括与盐类形成复合物，从而促进离子的传输。在电解质系统中，CA能够增强盐的解离，提高自由离子的浓度，从而提升离子导电性。

此外，CA的添加还对膜的膨胀行为产生影响。研究表明，交联密度与膨胀行为之间存在密切关系，因此需要仔细优化CA的浓度，以获得理想的膜性能。较高的CA浓度通常会导致更密集的网络结构，从而限制水的吸收，降低膨胀率。相反，较低的交联密度则允许更多的水吸收，这对于需要高离子导电性和阳离子交换的应用尤为重要。这种交联密度与膨胀行为之间的平衡，对于根据具体需求定制PVA基膜至关重要，确保膜在机械稳定性和离子分离效率方面均达到最佳状态。

在实际应用中，PVA膜的性能不仅受到其化学成分和结构的影响，还受到外部条件的制约。例如，膜的厚度和CA的浓度在决定其分离效率和机械性能方面起着关键作用。较薄的膜可能在离子传输方面更具优势，而较厚的膜则可能在过滤效率方面表现更佳。这种差异使得PVA膜在不同的应用场景中具有不同的适用性。因此，通过系统地研究CA对膜性能的影响，可以为开发更高效、更环保的离子分离膜提供理论依据和实验支持。

综上所述，本研究通过调整PVA膜的厚度和CA的浓度，探讨了其在离子分离中的表现。实验结果显示，CA的添加显著提高了膜的机械强度和稳定性，同时影响了其分离和回收效率。PVA1-CA5膜表现出较高的离子渗透率，特别是在镁离子的回收方面。然而，较厚的膜在过滤效率方面表现更佳，能够有效降低透过液中的总有机碳含量。这些结果表明，PVA基膜在不同应用场景中具有不同的性能表现，因此需要根据具体需求进行优化。通过深入研究CA对膜性能的影响，本研究为开发更高效、更环保的离子分离膜提供了重要的参考依据，有助于推动PVA基膜在废水处理等领域的应用。