偏硅酸钠溶胶-凝胶正向渗透膜污染控制策略及其海水淡化应用研究

本研究针对正向渗透(FO)海水淡化过程中膜污染问题，系统评估了纤维素三乙酸酯(CTA)和薄膜复合(TFC)膜在偏硅酸钠(SMS)溶胶-凝胶驱动液体系下的污染特性，创新性地采用多库酯钠、NaOH和EDTA等化学清洗结合40°C渗透反冲洗技术，成功将TFC膜污染通量衰减控制在第三周期仅0.24%，揭示了硅垢与金属氧化物复合污染机制，为低能耗膜法海水淡化提供了关键技术支撑。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，海水淡化技术成为解决淡水供应的重要途径。在众多脱盐技术中，正向渗透(Forward Osmosis, FO)因其低能耗、低膜污染特性受到广泛关注。然而，膜污染问题仍是制约FO技术推广应用的关键瓶颈——特别是在使用新型驱动液如偏硅酸钠(Sodium Metasilicate, SMS)溶胶-凝胶时，硅酸盐与海水中的无机离子易形成复合污染，导致膜通量急剧下降。如何有效控制膜污染、维持系统长期稳定运行，成为研究人员亟待突破的难题。

为此，由悉尼科技大学绿色技术中心Tayma Kazwini、Ali Altaee等组成的研究团队，在《Science of The Total Environment》上发表了最新研究成果。他们系统比较了纤维素三乙酸酯(Cellulose Triacetate, CTA)和薄膜复合(Thin-Film Composite, TFC)两种FO膜在SMS溶胶-凝胶驱动液体系下的污染行为，并创新性地提出多模式组合清洗策略，为FO海水淡化技术的实际应用提供了重要理论依据和技术支撑。

研究人员采用实验室规模错流过滤系统（Sterlitech CF042A-FO Cell），以澳大利亚库吉海滩采集的真实海水为原料液，0.75 M SMS溶胶-凝胶为驱动液，分别开展了5小时和24小时的多周期连续实验。通过ICP-MS分析海水离子组成，采用接触角测量仪、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDX)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征膜污染特性，并系统评估了多库酯钠(Docusate Sodium)、氢氧化钠(NaOH)和乙二胺四乙酸(Ethylenediaminetetraacetic Acid, EDTA)等不同清洗剂结合40°C渗透反冲洗的清洗效果。

3.1. 水通量特征

研究发现，在活性层面向原料液(ALFS)模式下，TFC膜表现出更稳定的通量性能。5小时实验表明，CTA膜初始通量虽高达8.76 LMH，但因硅垢和无机污染严重，第一周期通量衰减达48%；而TFC膜仅衰减29%，且第三周期通量衰减控制在4%。在活性层面向驱动液(ALDS)模式下，TFC膜因结构参数更小(344 μm vs 707 μm)，内部浓度极化(ICP)效应更低，显示出更高的初始通量(14 LMH vs 12.67 LMH)。

3.2. 多库酯钠长期清洗效果

24小时长期实验显示，单纯多库酯钠清洗对硅垢去除效果有限。虽然结合40°C的0.5 M NaCl反冲洗后，TFC膜在第二、三周期的通量衰减分别降至4%和1%，但EDX分析仍检测到活性层硅含量达19.6 wt%。多库酯钠通过形成胶束与金属离子(Ca²⁺、Mg²⁺)发生离子交换，生成可溶性磺酸盐，但其对硅酸盐无效。

3.3. 氢氧化钠清洗机制

NaOH清洗(pH 11)展现出卓越的硅垢去除能力。通过化学反应：SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O，将不溶性硅垢转化为可溶性硅酸钠，使TFC膜第三周期通量衰减降至0.24%。EDX分析证实活性层硅含量从19.6 wt%降至0.75 wt%。虽然NaOH清洗导致氢氧化铁沉淀，但其对通量影响微弱。

3.4. EDTA清洗特性

EDTA清洗在去除铁、镁污染方面效果显著（Fe³⁺-EDTA络合常数log K=25.1），但对钙垢(如CaSO₄、CaSiO₃)去除有限(Ca²⁺-EDTA log K=10.7)。EDX检测到活性层残留的硫(0.54 wt%)和钙(0.36 wt%)，导致第三周期通量衰减达3%，表明钙硅酸盐污染是造成不可逆污染的主因。

3.5. 污染分析

接触角测量显示，污染后膜亲水性显著增强（TFC活性层从62.5°降至27.6°）。FTIR分析发现硅氧键(Si-O-Si)特征峰(1108 cm^-1)，证实硅聚合现象。SEM-EDX进一步揭示污染层元素分布：CTA膜支撑层硅含量高达4.46 wt%，而TFC膜在NaOH清洗后硅含量降至0.75 wt%。

3.6. 能耗分析

TFC膜在ALFS模式下能耗最低(0.0035 kWh/m3)，显著低于反渗透(2-5 kWh/m3)。NaOH清洗体系回收率最高(第三周期27%)，对应能耗仅0.007 kWh/m3，而EDTA清洗因通量衰减导致能耗升高至0.0104 kWh/m3。

该研究通过多角度验证表明，NaOH碱性清洗结合40°C渗透反冲洗是最有效的膜污染控制策略，能同步解决硅垢和金属氧化物污染问题。研究发现TFC膜在ALFS模式下具有更优的抗污染性能和通量恢复能力，其光滑表面结构和较小结构参数有利于减轻污染沉积。研究首次揭示了SMS溶胶-凝胶体系下硅酸盐与海水离子的复合污染机制，为FO海水淡化技术的实际应用提供了关键工艺参数。更重要的是，SMS反应产物(硅酸钠和硝酸钠)可直接作为植物营养素使用，实现了零排放的绿色脱盐过程，在农业-水资源联用领域展现出巨大应用潜力。