基于原位固相荧光光纤（SPFOF）的超滤膜污染动态分析：污染机制与滤饼层结构解析

本研究创新性地开发了固相荧光光纤（SPFOF）平台，结合平行因子分析（PARAFAC）与响应面法（RSM），实现了膜表面混合污染物（PN/HA）的原位定量监测，揭示了中间阻塞与滤饼过滤的主导机制及污染层时空动态演变，为膜污染控制提供了高精度、可重复的新型表征技术。

　　

Highlight

SPFOF平台

用于通过荧光光纤原位监测膜污染的系统化SPFOF平台构建如图1a所示，主要由氙灯（mno150300，北京NBeT科技有限公司）、单色仪、紫外滤光模块、膜过滤单元和光谱仪（NOVA-EX，上海昊量光电设备有限公司）组成。氙灯的功能是激发有机物荧光。透镜用于聚焦和准直光路，而光纤则传导激发光并收集发射光。紫外滤光模块包含两个滤光片（250–400 nm和400–700 nm），以消除杂散光干扰。膜过滤单元由死端过滤池和压力氮气系统组成。光谱仪配备制冷CCD探测器，可采集荧光信号。

单一污染物

采用SPFOF平台测量了经不同浓度牛血清蛋白（BSA）溶液过滤后膜表面的荧光强度，同时根据公式1计算膜表面污染物质量。原始膜的荧光结果如图2a所示，在Ex/Em=340/375 nm处有荧光信号。图2b展示了当3150 mg/m3 BSA沉积于膜表面时的SPFOF测量EEM结果，明显可见在Ex/Em=280/340 nm处存在荧光峰。随着BSA沉积量从0增至4725 mg/m2，荧光强度呈线性增长（R2=0.99），表明SPFOF可实现对膜表面蛋白质的原位定量监测（图2c）。类似地，腐殖酸（HA）的荧光强度与其沉积量亦呈线性关系（R2=0.97），但由于HA在固态时发生荧光猝灭，其斜率远低于BSA。

结论

本研究开发的SPFOF平台实现了膜表面混合污染物的原位定量分析，并解析了污染机制与滤饼层结构。结果表明，蛋白质（PN）物质与荧光强度呈线性正相关，而固态腐殖酸（HA）则引发荧光猝灭。通过Hermia模型识别出中间阻塞与滤饼过滤是主导污染机制。在污染过程中，PN优先吸附于膜表面，随后通过形成PN-HA结构促进HA快速沉积。与传统液相EEM和化学浓度方法相比，SPFOF方法兼具准确性与重复性，且在膜界面污染物定量表征方面具有显著优势。