面向地热卤水预处理的抗污染UiO-66-NH?混合基质膜工程化设计：污染预测、技术经济分析及环境评估

《Journal of Water Process Engineering》：Engineering antifouling UiO-66-NH? mixed matrix membranes for geothermal brine pretreatment: Fouling prediction, techno-economic analysis, and environmental assessment

　　

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  设计了 UiO-66-NH?/聚砜混合基质膜（MMMs）用于富硅地热卤水预处理。
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  纳米颗粒的引入提高了亲水性、渗透性和抗污能力。
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  二氧化硅污染主要由孔道狭窄主导，而非滤饼层形成。
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  技术经济分析（TEA）将 MMMs 与传统及商用超滤（UF）预处理路线进行了基准比较。
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  GREET/EverBatt 评估量化了能源、水和温室气体之间的权衡。

引言

为了应对日益严峻的碳排放危机，可持续发展必须优先考虑经济增长、环境管理和社会责任之间的协同作用。实现 2050 年碳中和需要多方面的努力，包括能源转型、绿色金融和数字化 [1]。在此框架下，地热能已成为化石燃料的关键替代品 [2]。与受外部天气因素间歇性影响的光伏或风能不同，地热能因其持续可用性而具备基荷能力。尽管该行业面临投资、技术和适应意识方面的障碍，但最近的研究证实，提高现有地热系统的效率仍然是可持续能源生产的可行策略 [3], [4]。

地热运行的效率受到结垢（无机污染）的严重阻碍，定义为卤水提取过程中矿物质沉淀在管道中。根据井的地质特征，这种结垢的主要成分包括硅酸盐、碳酸盐、硫化物和硫酸盐 [5], [6], [7]。这些矿物质的沉积通过阻碍回注过程中的流体流动来降低系统效率。从经济角度看，这需要频繁维护和更换管道 [8]。虽然目前使用化学抑制剂来缓解结垢，但它们并不能全面解决沉淀问题 [9]。

除了发电之外，地热卤水通过提取关键矿物（特别是锂）为资源增值提供了机会。直接提锂（DLE）技术的整合代表了为此目的而成熟、高效的技术 [10]。与传统方法相比，DLE 提供了显著的技术优势：(1) 时间效率：生产时间从数月缩短至数小时，(2) 空间效率：通过紧凑的系统设计占用较小的物理空间，(3) 资源效率：消除蒸发池，从而降低水和化学品消耗，(4) 质量保证：潜在提高产品收率和纯度 [11]。

尽管 DLE 具有显著优势，但其运营成功取决于严格的进料预处理。具体来说，需要完全去除溶解矿物质以防止下游系统污染。超滤（UF）技术因其在该领域的可靠性而被广泛认可，为悬浮固体（包括纳米颗粒（NPs）和胶体颗粒）提供高分离效率 [12]。尽管其分离能力强，但 UF 膜在地热卤水应用中的长期性能因严重污染而受损。主要的无机污染物是非晶态二氧化硅。无机污染轨迹遵循顺序的三阶段机制。最初，当溶质浓度超过膜界面的溶解度极限时发生饱和。这种热力学不稳定性触发了单体硅酸的聚合形成低聚物。最后，这些物质发生胶体融合，合并成膜表面致密、不透水的凝胶层 [13], [14]。

标准操作调整，如调节流量、跨膜压力和温度，已被证明不足以完全解决无机污染。该问题的持续存在归因于浓差极化（CP）。CP 是一种不可避免的流体现象，其中截留的溶质在膜表面积累，形成高浓度边界层 [15], [16]。这种局部过饱和驱动了上述二氧化硅聚合过程。

鉴于仅靠机械控制不足以抑制浓差极化，调节膜的物理化学性质变得至关重要。虽然表面改性可以调节亲水性或表面电荷，但其效果通常仅限于外层，且可能因涂层不稳定或孔道堵塞而受损。相比之下，基质混合提供了一种更集成的途径，通过在膜结构内嵌入功能添加剂，实现对亲水性、孔结构、传输路径和抗污行为的同步控制。

因此，提高膜性能和抗污行为的策略长期以来一直依赖于通过膜基质混合进行本体改性。Wang 等人 [17]、Zhao 等人 [18] 和 Pandey 等人 [19] 纳入 PES 中的亲水亲油聚合物混合物（如 Pluronic F127）已被证明可以改善膜结构、分离性能和抗污能力。功能性聚合物混合物（包括 SPSF/PES [20] 和 PSFNA/PSF [21] 系统）以及 PEG 改性 PSf 膜也报道了类似的改善，其中亲水性和孔结构强烈取决于添加剂组成和分子量 [22], [23]。纳米颗粒的引入（包括 TiO? 和 GO）进一步展示了增强膜形态、选择性和抗污特性的能力 [24], [25], [26]。这些研究确立了混合作为膜优化的有效途径；然而，传统添加剂可能仍面临与浸出、聚集或功能受限相关的局限性。这促使基于金属 - 有机框架（MOF）的混合基质膜作为解决这些挑战的集成本体改性策略。

表 1 显示，MOF 增强的 UF-MMMs 通过增加亲水性、更高的孔隙率和吸水性以及更有利的表面电荷一致地提高膜性能。在不同的 MOF 和聚合物基质中，最佳填料负载量通常在 0.1–1 wt% 范围内，超过此范围，聚集和粘度增加可能会阻碍溶剂/非溶剂交换并限制渗透性增强。报告的改善仍然显著但存在变化，渗透率增加 37–419%，FRR 值在 52.9% 到 98.7% 之间，主要归因于静电排斥和水化层保护。

然而，表 1 中总结的抗污评估仍主要由有机或生物污染物主导，包括 HA、NOM、BSA、奶粉、海藻酸钠、水包油乳液和染料。MOF 基 UF-MMMs 在无机污染（特别是地热卤水中的二氧化硅结垢）下的行为仍了解不足。这一差距至关重要，因为溶解硅在接近中性 pH 下主要以弱电荷或中性单体硅酸形式存在，这使得静电排斥效果减弱，并将无机污染控制转向水化效应和硅氧烷凝胶形成。

在本工作中，通过将 UiO-66-NH? 纳米颗粒掺入聚砜（PSf）基质中，开发了 UF 级 MMMs 用于地热卤水预处理。选择 PSf 作为基体聚合物，因其有利的物理化学性质，包括高热稳定性、机械强度、宽 pH 范围内的化学耐受性和优异的成膜能力 [27], [28]。然而，其固有的疏水性仍然是过滤应用中的关键限制。为了解决这一挑战，引入 UiO-66-NH? 以增强膜的亲水性 [27], [29]。此外，与纳米颗粒配体相关的有机官能团预计能促进与聚合物基质的有利界面相容性，从而改善膜结构和性能。因此，本研究通过将 UiO-66-NH?/PSf MMMs 定位为不仅是一种改性 UF 材料，而是通过无机污染分析、性能预测、技术经济视角和环境评估进行评价的预处理平台，从而推动该领域发展。

章节片段

材料

本研究中使用的所有化学品均为高纯度，未进行进一步纯化。聚砜（PSf）颗粒（Mw ≈ 35,000; Mn ≈ 16,000）、氯化锆（IV）（ZrCl?, 99.9%）、2-氨基对苯二甲酸（ATA, 99%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF, 99.8%）、甲醇（MeOH, ≥99.8%）均购自 Sigma-Aldrich。超纯水由 WaterOne? 提供，而在某些实验中使用实验室制备的离子交换水，电导率为 ±15 μS·cm^?1。

UiO-66-NH? 的制备

UiO-66-NH? 是

结构和功能表征

合成的 UiO-66-NH? 纳米颗粒的形貌如图 4.A 所示。TEM 观察表明颗粒尺寸在 1–2 μm 范围内，主要呈现不规则形貌。明显的局部颗粒重叠和团聚，这可归因于快速合成过程。然而，在某些区域，纳米颗粒保留了 UiO-66 框架特有的清晰立方特征，表明基础晶体结构得以保留

结论

本研究表明，聚砜/UiO-66-NH? MMMs 在基于 UF 的富硅地热卤水预处理方面具有技术前景。UiO-66-NH? 的引入提高了膜的亲水性，将水接触角从 80.8° 降低到 47.6%，并将渗透率从 158.94 增加到 376.03 L m^?2 h^?1 bar^?1。优化的 MMM 实现了 80.85% 的最大 FRR，而基于 Hermia 的污染分析表明，无机污染主要由内部孔道狭窄控制，而非

CRediT 作者贡献声明

Pra Cipta Buana Wahyu Mustika: 写作 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，概念化。Cornelius Satria Yudha: 写作 – 审阅与编辑，资源。Melisa Christine Prayogo: 写作 – 审阅与编辑，软件，调查，正式分析。Putu Doddy Sutrisna: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源。Sutijan Sutijan: 写作 – 审阅与编辑，监督。Widi Astuti: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，

写作过程中生成式 AI 和 AI 辅助技术的声明

在本工作的准备过程中，作者利用了 ChatGPT 来提高可读性和语言清晰度。使用后，作者彻底审查并酌情修改了内容，对出版物的最终版本承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本研究由印度尼西亚共和国高等教育、科学和技术部常规基础研究资助全额支持，根据主合同编号 225/C3/DT.05.00/PL-BARU/2026 和子合同编号 1247/UN1/DITLIT/Dit-Lit/PT.01.03/2026，授予爪哇马塔拉大学（UGM）教授 Himawan Tri Bayu Murti Petrus。作者也感谢泗水大学（UBAYA）提供的宝贵分析支持及实验室使用权

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