反渗透膜污染的先进表征方法：对微咸地下水处理的启示

《Groundwater for Sustainable Development》：Advanced characterization of fouling in reverse osmosis membrane: Implications for Brackish Groundwater treatment

本研究针对摩洛哥El Ouatia反渗透脱盐厂膜污染问题，采用水质特征分析、XRD、SEM/EDS等先进表征技术，发现高钙、硫酸盐的Na-Cl型苦咸水导致膜表面形成以石膏为主（占比90.2%）的结垢沉积，揭示了离子间相互作用与成垢过程的机理，为优化预处理和添加剂应用提供理论支撑。

　　

伊尔哈姆·卡尔马尔（Ilham Karmal）|贾米拉·埃尔·盖达（Jamila El Gaayda）|萨拉·达尔巴尔（Sara Darbal）|穆斯塔法·纳西里（Mustapha Nassiri）|穆罕默德·埃尔·胡塞（Mohamed El Housse）|姆巴雷克·贝拉塔尔（M’barek Belattar）|赛义德·本-阿扎（Said Ben-Aazza）|奈玛·哈菲德（Naima Hafid）|阿卜杜勒阿齐兹·艾特·阿迪（Abdelaziz Ait Addi）|拉希德·艾特·阿克布尔（Rachid Ait Akbour）|阿里·德里乌伊什（Ali Driouiche）

摩洛哥阿加迪尔伊本·佐赫尔大学（University of Ibn Zohr）理学院“水的材料与物理化学”团队，过程工程实验室（Process Engineering Laboratory）

摘要

全球淡水资源的日益匮乏以及对可持续海水淡化需求的增加，推动了反渗透（RO）技术的研究。然而，结垢问题仍然是一个主要挑战，影响着系统的运行稳定性和性能。本研究调查了位于摩洛哥埃尔瓦蒂亚（El Ouatia）的一家反渗透脱盐厂的结垢机制。研究采用了综合方法，包括进水特性分析和水化学分析。通过先进的表征技术进一步研究了结垢现象，这些技术包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜结合能量分散光谱（SEM/EDS）、X射线荧光光谱（XRF）、热重分析和差示扫描量热分析（TG/DSC）以及Fujiwara测试。水化学分析表明，该地区的地下水矿化程度很高，钙（998 mg/L）和硫酸盐（3050 mg/L）浓度较高，这促进了矿物沉淀和膜结垢。Piper、Schoeller-Berkaloff和Gibbs水化学图表明，主导的水化学类型为Na-Cl型。结垢物主要由石膏（CaSO?·2H?O）组成，占总结垢物的90.20%，对膜结垢有显著影响。基于这些发现，提出了一种结垢机制，重点关注离子物种之间的相互作用和结垢过程。这些结果为预处理策略和结垢抑制剂的应用提供了机制上的理解，从而提高了膜在环境和工程应用中的效率。

引言

水资源短缺已成为可持续发展的主要挑战（Azdem等人，2025年；D. Zhang等人，2021年）。气候变化加剧了饮用水供应不足的问题，因此人们更加关注利用微咸地下水（Zhang等人，2020年），这是一种退化但使用日益增加的水资源。截至2020年2月中旬，全球海水淡化产能达到每天9720万立方米，累计产能达到每天1.149亿立方米，其中20971个已报告的项目中有16876个正在正常运行（Eke等人，2020年）。微咸地下水的淡化为家庭用水和农业灌溉提供了替代水源，同时减轻了对有限淡水资源的压力，这对于保护脆弱的干旱和半干旱生态系统至关重要（Elimelech，2014年）。 基于膜的分离技术，包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO），在现代水处理过程中发挥着核心作用。其中，反渗透膜具有高盐分排斥率、相对较低的能耗以及较好的抗结垢性能。相比之下，微滤、超滤和纳滤在结垢敏感性、盐分排斥效率和操作要求方面存在差异（表1）。因此，继续开发高效可靠的淡化技术对于确保干旱和半干旱地区的可持续水资源供应至关重要（Patel等人，2020年）。材料工程的进步，包括表面功能化（Algieri等人，2021年；Asiri等人，2022年；Chakraborty等人，2012年；Kotsilkova等人，2018年）、纳米复合结构（Sarkar等人，2021年）以及沸石膜的开发（Kallus等人，2002年），提高了膜的选择性、亲水性和抗结垢性能。此外，人工智能和机器学习模型有助于过程优化和地下水质量的精确评估，支持可持续的水资源管理和灌溉实践（Bouri等人，2025年；Gaudio等人，2021年）。总体而言，这些发展突显了反渗透膜在工业和环境应用中的巨大潜力。 结垢仍然是膜淡化过程中的主要挑战（Liu等人，2019年），其原因是当进水中的胶体颗粒、微生物和难溶性矿物（如CaCO?、CaSO?、SiO?和BaSO?）的浓度超过溶解限度时，它们会在反渗透膜表面积累（Ahmed等人，2023年；Yang等人，2024年）。这会导致操作压力增加、渗透通量降低、膜寿命缩短以及运营成本上升（Werber等人，2016年；Ruiz-garcía和Ruiz-saavedra，2015年）。结垢通过多种机制发生，包括无机沉淀（结垢）、有机吸附、生物污染、孔隙堵塞和凝胶层形成（Zainol Abidin等人，2022年），形成的沉积物由有机物、生物膜、胶体和矿物沉淀物组成（Darbal等人，2025年；Hun等人，2021年；Mohareb等人，2020年、2021年）。了解这些机制对于有效控制结垢至关重要。结垢可以通过破坏性方法（如膜解剖）或非破坏性方法（如性能监测）进行评估，这两种方法都能为识别性能下降的原因（García-tri?anes等人，2021年）和选择适当的缓解策略（Ben-aazza等人，2024年；Benlouali等人，2021年；El Housse等人，2024年；El Housse等人，2025年；Karmal等人，2022年；Nassiri等人，2024年）提供有价值的信息。 本研究调查了摩洛哥埃尔瓦蒂亚一家脱盐厂在处理微咸地下水过程中，螺旋缠绕反渗透模块（spiral-wound RO modules）膜结垢的原因。通过物理化学和水化学分析评估了进水质量，包括Piper图、Schoeller-Berkaloff图和Gibbs图。废弃的反渗透膜经过解剖，沉积的污染物通过目视检查、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱（SEM/EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线荧光光谱（XRF）、热重分析和差示扫描量热分析（TG/DSC）以及Fujiwara测试进行了表征。本研究的新颖之处在于其综合方法，结合了进水特性分析、沉积物分析和结垢机制的研究。这种全面的方法提供了对结垢机制的详细理解，并为提高膜耐用性和整体反渗透系统性能提供了实用见解，比以往仅限于Khang Lahmam脱盐厂基本沉积物观察的研究有了显著进步。

研究区域

坦-坦省（Tan-Tan province）位于摩洛哥西南部（图1），气候干燥，地下水盐分含量高，这使得饮用水供应特别具有挑战性。为了解决这个问题，国家电力和饮用水办公室（ONEE，水务部门）实施了多个微咸地下水处理设施，其中包括Sehb EL Harcha脱盐厂，这是该地区继Khang Lahmam厂之后的第二个此类设施。

微咸地下水反渗透（BWRO）脱盐厂描述

反渗透（RO）脱盐厂通常设计为三阶段系统，每个阶段根据进水质量执行特定功能：预处理、处理和后处理（Djebedjian等人，2020年）。补充信息（图S1）展示了Sehb El Harcha脱盐厂的示意图。 微咸地下水从钻孔中抽取，经过清洗和粗过滤以去除大颗粒，然后...

水化学特性

统计分析的结果总结在表S2（补充信息）中，包括最小值、平均值、最大值和标准差。地下水中主要离子的平均浓度相对较高。分析表明，一些理化参数超过了世界卫生组织（WHO）和摩洛哥饮用水标准（NM 03.7.001）推荐的限值，尽管有些样本仍在允许范围内...

结论

本研究旨在表征微咸地下水脱盐厂反渗透元件上的膜污染物。对坦-坦地区地下水的理化分析表明，该地区的水属于高矿化程度的Na-Cl型，受岩石风化、蒸发矿物溶解和海水入侵的影响。结果通过Piper图、Schoeller-Berkaloff图和Gibbs图等水化学图进行了解释。 <_cRediT作者贡献声明> 姆巴雷克·贝拉塔尔（M’barek Belattar）：撰写——初稿；审稿与编辑。 穆罕默德·埃尔·胡塞（Mohamed El Housse）：撰写——初稿。 穆斯塔法·纳西里（Mustapha Nassiri）：撰写——初稿；数据管理；正式分析。 萨拉·达尔巴尔（Sara Darbal）：撰写——初稿；数据管理；正式分析。 拉希德·艾特·阿克布尔（Rachid Ait Akbour）：撰写——审稿与编辑；数据管理；正式分析。 奈玛·哈菲德（Naima Hafid）：撰写——初稿；方法学；撰写——审稿与编辑。 赛义德·本-阿扎（Said Ben-Aazza）：撰写—— <未引用参考文献> < /> <声明利益冲突> ? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。