基于陶瓷膜孔径优化的微藻水过滤抗污染机制研究及其在碳中和技术中的应用

本研究针对微藻收获过程中膜污染严重的问题，系统比较了PVDF膜与Al2O3陶瓷膜的抗污染性能，发现0.76 μm大孔径陶瓷膜通过增强膜-污染物排斥作用(XDLVO理论)显著降低跨膜压差(TMP)增长率(1.12 kPa/h)和不可逆污染率(1.82%)，为微藻生物固碳技术中的膜分离工艺优化提供了新思路。

　　

在全球碳中和战略背景下，微藻生物技术因其高效的碳封存能力备受关注。然而微藻收获环节面临巨大挑战——传统离心法成本高昂，絮凝法存在环境风险，而新兴的膜过滤技术又饱受膜污染困扰。当蓝藻细胞和胞外有机物(EOM)在膜表面积累时，会形成致密滤饼层，导致跨膜压差(TMP)飙升、膜通量骤降。更棘手的是，微藻分泌的蛋白质和多糖会嵌入膜孔，造成难以清洗的不可逆污染。这些瓶颈严重制约着膜技术在微藻规模化培养中的应用。

针对这一难题，Xin-hong Zhang和Ming-yue Geng团队在《Water Science and Engineering》发表的研究另辟蹊径，从膜材料和孔径设计两个维度突破。他们首次系统比较了聚偏氟乙烯(PVDF)聚合物膜与氧化铝陶瓷膜的污染行为，并创新性地采用1-10 μm氧化铝粉末制备出0.08-0.76 μm四种孔径的梯度陶瓷膜，通过多尺度实验揭示了孔径调控抗污染性能的分子机制。

关键技术方法包括：采用恒定通量(40 L/(m²·h))错流过滤系统比较不同膜性能；通过XDLVO理论计算膜-污染物界面自由能；结合原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)表征膜表面形貌；采用Folin-酚法和苯酚-硫酸法分别定量滤饼层中蛋白质和多糖含量；建立多周期(5个循环)过滤-反洗实验评估长期运行稳定性。

【膜材料对抗污染性能的影响】

研究团队首先对比了0.2 μm PVDF膜(P2)与0.16 μm陶瓷膜(A3)的表现。接触角测试显示A3膜亲水性更强(57.6° vs 83.9°)，这直接反映在TMP增长率上——P2膜高达7.2 kPa/h，是A3膜(4.5 kPa/h)的1.6倍。阻力分布分析表明，P2膜的孔堵塞阻力占比(16.8%)显著高于A3膜(12.2%)，且其滤饼层中蛋白质(2.8 μg/cm²)和多糖(4.1 μg/cm²)含量分别是A3膜的1.4倍和1.3倍。这些数据证实陶瓷材料能有效缓解EOM在膜孔的吸附积累。

【孔径对陶瓷膜性能的调控机制】

通过设计A1(0.08 μm)、A3(0.16 μm)、A8(0.66 μm)、A10(0.76 μm)四种陶瓷膜，研究发现随着孔径增大：TMP增长率从5.87 kPa/h(A1)降至1.12 kPa/h(A10)；不可逆污染比例从3.24%降至1.82%；SEM显示A10膜表面藻细胞分布更松散，形成"岛状"而非连续滤饼层。XDLVO理论揭示了关键机制：大孔径膜表面电子给体分量(γ^-)从33.32 mJ/m²(A1)提升至124.79 mJ/m²(A10)，增强了膜-水分子相互作用，形成保护性水层阻隔污染物。

【多周期运行的稳定性验证】

在5次过滤-反洗循环中，A10膜展现出卓越的稳定性：第五周期TMP增长率仅1.72 kPa/h，远低于A1膜的8.35 kPa/h；不可逆污染比例维持在4.08%，而A1膜已升至13.6%。这证实大孔径设计能有效延缓污染累积，延长膜使用寿命。

该研究突破性地证明：相比传统聚合物膜，陶瓷膜凭借其本征亲水性可降低40%以上的TMP增长率；而将孔径从微滤级(0.08 μm)扩大至近超滤级(0.76 μm)，能通过增强界面排斥作用使污染速率再降低80%。这些发现为设计新一代抗污染微藻收获膜提供了理论依据——不必盲目追求小孔径截留，适当增大孔径反而可通过物理-化学协同作用提升性能。在碳中和背景下，这项技术将显著降低微藻生物固碳的运营成本，推动其从实验室走向工业化应用。