《Analytica Chimica Acta》：Using Reverse Osmosis to Isolate Natural Organic Matter from Large Samples of Fresh Water
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E. Michael Perdue|Yusupha M. Sey|A. McDonald美国印第安纳州芒西市球州大学化学系，环境科学博士项目主任（2012-2017年），邮编47306摘要本研究从美国明尼苏达州、佛罗里达州、华盛顿州、加利福尼亚州和北卡罗来纳州的五个饮用水源中提取
E. Michael Perdue|Yusupha M. Sey|A. McDonald
美国印第安纳州芒西市球州大学化学系，环境科学博士项目主任（2012-2017年），邮编47306
摘要
本研究从美国明尼苏达州、佛罗里达州、华盛顿州、加利福尼亚州和北卡罗来纳州的五个饮用水源中提取天然有机物质。通过反渗透技术结合阳离子交换法和/或电渗析法，从每个水源中获得了数百克的天然有机物质。该项目的规模超过了此前使用此类方法提取天然有机物质的大多数研究。水浓度因子是指处理后样品的总体积与浓缩后样品的最终体积之比，其数值在200到408之间，而以往研究中的这一数值通常在20到50之间。本文介绍了相关技术背景，包括描述天然有机物质产出率（即分离出的有机碳与处理过的有机碳的比值）与水浓度因子以及各组分反渗透拒收系数之间关系的基本公式。文中还给出了天然有机物质产出率的数值模拟结果，以及反渗透处理过程中可能出现的天然有机物质分馏程度。根据水源水中的无机化学成分，研究人员提出了相应措施，以预防在高水浓度因子下膜污染的发生。文章进一步探讨了天然有机物质产出率、其组分反渗透拒收系数与水浓度因子之间的关系，并以此解释五个采样点之间天然有机物质产出率的差异。尽管这五个采样点的水浓度因子很高，但天然有机物质的产出率仍在58%到91%之间，这一范围与反渗透拒收系数为0.995到0.999的纯溶质的预期值相符。
引言
天然有机物质是一种极其复杂的混合物，Brown和Rice在2000年通过傅里叶变换离子回旋共振质谱结合电喷雾电离技术，为几种富里酸（包括两种水样中的富里酸）生成了质谱图，从而证实了这一事实。Koprivnjak等人[1]指出，苏万尼河富里酸和苏万尼河天然有机物质的ESI-FTICR-MS谱图中包含25,000到30,000个不同的峰，每个峰对应一种或多种异构化合物。实际上，一份天然有机物质样本中所含的独特化合物数量很可能超过105种。
分离出的天然有机物质样本，包括腐殖酸、富里酸、胡敏素、亲液酸等特定组分，被广泛用于农业、生态学、环境科学、地球化学和毒理学研究。这类研究有时需要大量天然有机物质，而当这些物质必须从天然水中提取时，满足这一需求尤为困难。本文所述的研究正是为了解决这一需求，其起因是对水中消毒副产物毒理学的研究，这类副产物是由氧化性消毒剂与天然有机物质及水源水中的无机化学物质反应产生的。
人类流行病学研究提供了关于人群接触由天然有机物质产生的复杂消毒副产物混合物的相关数据。为了使实验室研究更贴近流行病学数据获取时的实际条件，毒理学研究应使用符合现实环境的复杂消毒副产物混合物。而通过使用固体或液体形式的天然有机物质浓缩物，就可以根据需要以任意期望的浓度重复制备天然有机物质溶液，从而便于开展此类研究。
四十多年来，反渗透技术一直被用于从淡水中浓缩天然有机物质。具有讽刺意味的是，?degaard和Koottatep[2]最早建议使用反渗透技术去除有色水源水中的腐殖质，以此减少消毒副产物的生成。几年后，Serkiz和Perdue[3]以及Clair、Kramer、Sydor和Eaton[4]则提倡利用反渗透技术从淡水中分离天然有机物质。据目前所知，已有90多篇文献记载了使用反渗透技术（有时结合阳离子交换法和/或电渗析法）来浓缩天然有机物质的情况[1]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。这些研究中样本的水浓度因子中值为31.4，其中水浓度因子是指处理后样品的总体积与浓缩后样品的最终体积之比。作为对比，如果某水源水中的有机碳含量为4毫克/升，且天然有机物质中的碳含量为50%，若能实现100%的提取率，那么就需要处理至少50,000升的水才能获得400克的天然有机物质。如果最终得到的天然有机物质是200升的溶液，那么该过程的对应水浓度因子为250。
由于反渗透技术主要去除的是水，因此水源水中的所有溶质都会在一定程度上被浓缩。即便能够高效地浓缩天然有机物质，这一过程往往也会受到一些共浓缩的无机溶质较低溶解度的限制，比如碳酸钙、氢氧化铁或无定形硅石。随着水源水溶液浓缩程度的增加，这一问题会愈发严重。当反渗透技术需要应用于本项目所要求的高水浓度因子场景时，就有几个问题需要解决：在高水浓度因子下，哪些无机沉淀物容易形成并堵塞反渗透膜？如何减轻膜污染？高水浓度因子会对天然有机物质的产出率产生什么影响？在反渗透处理过程中，天然有机物质会在多大程度上发生分馏？本文针对这些问题进行了探讨，同时介绍了与大规模水样反渗透处理相关的所有现场操作流程、实验室操作流程以及储存和运输流程。
章节节选
技术背景
当含有水及水溶性溶质的加压进料溶液流过半透性的反渗透膜时，该溶液会被分离成渗透液（溶质浓度相对较低）和浓缩液（溶质浓度相对较高）。当使用反渗透技术净化进料溶液时，会收集渗透液，也就是所谓的成品水，而浓缩液则通常被丢弃。
当使用反渗透技术从进料水中浓缩天然有机物质时
结果与讨论
表3总结了五个采样点对进料溶液的处理情况。如前文所述，明尼苏达州采样点的天然有机物质最终质量是根据冻干粉的质量，并经过水分和灰分含量校正后得出的。而对于佛罗里达州、华盛顿州、加利福尼亚州和北卡罗来纳州的采样点，由于其样品为浓缩后的水溶液，天然有机物质的最终质量则是根据最终体积和最终总有机碳浓度估算的，假设天然有机物质中的碳含量为50%。
结论
在明尼苏达州、佛罗里达州、华盛顿州、加利福尼亚州和北卡罗来纳州的饮用水处理设施中，人们采用了反渗透/阳离子交换技术和反渗透/电渗析技术，从大量未经处理的原始水中浓缩天然有机物质，这些水的体积在45,000升至140,000升之间。为了将最终体积控制在几百升的范围内，反渗透处理一直进行到水浓度因子达到200到400之间。这一数值远高于通常的20到50。尽管如此，仍能获得58%到91%的天然有机物质产出率，其中那些总有机碳浓度较高的采样点的产出率较低。
作者贡献说明
E. Michael Perdue：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件使用，项目管理，方法设计，研究实施，正式分析，数据整理，概念构思。Yusupha M. Sey：撰写——审稿与编辑，资源协调，资金筹集。A. McDonald：资源协调，资金筹集
免责声明
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利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文所述研究的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本文所述的合同研究主要由美国环境保护局资助（采购订单编号EP-13-D-000223、EP-15-D-000080）。明尼苏达州采样工作的部分费用由国际腐殖质学会提供支持。Ball State大学、美国环境保护局、国际腐殖质学会、Stroud水研究中心以及路易斯安那州立大学也为该研究提供了RealSoft PROS/2S系统。此外，采样工作的实地考察也得到了
