综述：膜蒸馏技术在复杂水体处理中的应用：有机与无机污染物分离的机理研究、防垢策略以及复合工艺设计

《Separation and Purification Technology》：Membrane distillation for complex water matrices: Mechanistic insights into organic and inorganic contaminant separation, antifouling strategies, and hybrid process design

　　

摘要

膜蒸馏（MD）是一种利用疏水膜的热驱动分离工艺，由于其对非挥发性溶质的高排斥能力以及在低品位热源下运行的能力，已成为海水淡化和处理含有有机及无机污染物的复杂水体的有前景的解决方案。本文批判性地评估了膜蒸馏技术在去除有机和无机污染物方面的最新进展，并强调了受膜性质、进水污染物类型和组成、温度以及表面相互作用影响的基本分离机制。讨论了关键因素，如膜的润湿性、挥发性及 fouling（污染）问题，同时介绍了新兴的抗 fouling 策略，包括纳米材料的掺入、表面改性以及 Janus 膜设计。将膜蒸馏与各种预处理技术（如电凝聚、高级氧化和结晶）结合使用，被视为提高去除效率并实现资源回收的潜在途径。此外，通过将厌氧膜生物反应器或正渗透与热驱动的膜蒸馏过程相结合的混合系统，可以拓宽技术的应用范围，降低能耗，并支持零液体排放和循环经济框架。膜蒸馏已应用于多个领域，包括海水淡化、盐水浓缩、废水处理以及资源回收（如锂提取、营养物质结晶和放射性废物处理），这些应用共同展示了其在可持续水资源管理方面的广泛适用性和潜力。这篇综合性的综述不仅总结了现有文献，还指出了未来的技术发展方向，重点关注材料创新、能源效率、实时监测以及 fouling 行为的机理建模。

引言

对清洁水需求的不断增加，加上污染程度的上升，给环境可持续性和公共健康带来了重大挑战[1]。来自城市、工业和农业活动的未经控制的污染物排放加速了有机物和无机物的污染，导致水体富营养化和地表水生态系统的恶化[2],[3]。水生环境中的有机污染物包括多种人为化合物，如药物、个人护理产品、农药、内分泌干扰物质（EDCs）、工业溶剂以及全氟和多氟烷基物质（PFAS）[3],[4],[5]。这些化合物在水体[9]、地下水、市政排放物[10],[11],[12]中的检测浓度范围从 ngL^?1 到 μgL^?1 不等[6],[7],[8]，并且由于它们的化学稳定性和低生物降解性，通常难以通过常规方法处理[13],[14]。无机污染物（如重金属[例如砷、铅、铬]、营养物质[例如氮、磷]和盐类[例如锂、氯化钠]同样令人担忧[15]，不仅因为它们在微量水平上的毒性，还因为它们会促进富营养化、结垢和膜污染。

传统处理方法在去除复杂的污染物混合物（尤其是微量有机化合物和持久性无机离子）方面往往效果不佳，这凸显了需要更先进和适应性更强的水处理解决方案的紧迫性[16],[17]。膜分离技术广泛应用于高级污水处理、饮用水处理厂和海水淡化[18],[19]。虽然压力驱动的膜分离技术（如纳滤 NF 和反渗透 RO）在去除许多无机和有机污染物方面表现出有效性，但对于低分子量、中性及高水溶性的有机溶剂（如甲醇、乙醇、丙酮、乙腈、二甲基砜 DMSO、1,4-二氧环己烷和四氢呋喃 THF）而言，其去除效率显著降低[20],[21],[22]。膜蒸馏（MD）作为一种有前景的热分离工艺，利用疏水性微孔膜和温度诱导的蒸汽压梯度，选择性地允许水蒸气通过而排斥大多数非挥发性污染物和挥发性化合物[23]。MD 具有诸多优势：可在较低温度（30 - 70?°C）下运行，对溶解的非挥发性物质有高排斥率，并适用于高盐度或复杂的废水[24],[25]；它能够实现优异的水回收率和盐分排斥率（约 99%），同时降低生物污染的风险[26],[27]。该技术能够有效利用来自发电厂和太阳能等可再生能源的低温废热，有助于弥补其固有的热损失并实现潜热的部分回收[28]。这些特性使得 MD 特别适合处理难以处理的废水或从废水中回收高纯度水[29]。尽管 MD 与其他热驱动的膜工艺（如 pervaporation PV 和膜接触器 MCs）有相似之处，但它们的分离机制和应用领域存在显著差异。PV 使用致密的非多孔膜和溶液-扩散机制，特别适用于分离挥发性有机化合物和溶剂混合物[30]，而 MCs 主要用于气体-液体质量传递，通常用于气体吸附、脱附或溶剂提取，而非水净化[31],[32]。与这些技术相比，MD 在处理高盐度废水和复杂废水方面具有独特优势，因为它能高效去除非挥发性污染物，兼容低品位热源，并且运行不受进水渗透压的影响。表 1 总结了 MD、PV 和 MCs 之间的关键区别。

膜蒸馏技术的最新进展集中在提高膜性能和克服与孔隙润湿、热效率不足和污染相关的限制上[37]。这些进展包括膜表面改性（如涂层、接枝、纳米材料掺入）、复合结构和电纺结构的开发，以及将 MD 与其他技术（如正渗透、厌氧生物反应器和结晶系统）的结合[64],[65]。此外，研究表明 MD 可以利用挥发性差异去除微量有机化合物，回收有价值的无机物（如锂和氨），并处理来自纺织、制药和垃圾填埋场渗滤液的复杂废水。尽管许多综述文章研究了 MD 的基本原理、膜材料、模块配置、混合系统及防污染策略（见表 S1），但大多数研究仍集中在海水淡化或特定方面（如纳米纤维膜、全疏水涂层或 MD 与其他技术的结合）。然而，目前仍缺乏能够同时综合有机和无机污染物分离机制、批判性地评估膜工程和防污染设计的最新进展，并将这些发展与资源回收应用联系起来的综合性综述。

本文旨在全面探讨 MD 过程中负责分离有机和无机污染物的关键机制，批判性地评估膜材料和系统配置的最新进展及防污染策略，并探讨 MD 在混合处理系统中的整合，强调其在先进废水处理和资源回收方面的潜力。

部分片段

膜蒸馏的发展历程和研究重点

图 1 展示了从膜蒸馏概念提出到当前最先进创新的实际发展过程。膜蒸馏的概念出现在 20 世纪 60 年代，1963 至 1968 年间进行了基础实验研究以评估其可行性[66]。70 年代期间兴趣有所减弱，但在 80 年代随着疏水膜的开发及概念验证研究而重新受到关注[67]。2001 至 2010 年期间重点关注工艺优化，尤其是通过膜...

膜蒸馏中的有机物和无机物分离机制

膜蒸馏已被证明是一种适用于多种液体分离和处理应用的高度多功能技术，包括海水淡化[71]、废水处理[72]、生物流体处理[73]、食品和饮料浓缩[74]，以及从废水中去除酸[75]、醇[76]、染料[77]、苯[78],[79]、重金属[79] 和放射性污染物[80]。然而，MD 的主要分离机制是由挥发-冷凝过程驱动的...

PFAS

膜蒸馏技术的最新进展表明，它是一种从各种水源中去除 PFAS 的有前景的方法。少数研究探讨了膜材料、结构和操作条件对 PFAS 排除性能的影响。例如，Chen 等人（2020 年）发现，平均孔径为 0.46?μm 的未改性 PTFE 膜在进料温度为 50?°C 时对 PFPeA 的排斥率能达到 85%，尽管存在表面污染...

膜蒸馏中的污染、结垢及防污染策略

膜污染是膜蒸馏过程中最显著的问题之一，会导致通量下降、膜润湿和工艺效率降低。膜污染大致可分为无机结垢、有机污染和生物污染[90],[278]。无机污染主要由 CaCO₃、CaSO₄、Ca₃PO₄、SiO₂、BaSO₄、SrSO₄、MgCl₂、MgSO₄ 等盐类的沉淀和沉积引起，以及铁（三价和亚铁）和铝的氧化物[279]。有机污染主要由...

提高效率的混合膜蒸馏系统

通过结合生物、物理化学或基于膜的过程开发的混合膜蒸馏系统，可以克服污染问题，提高能源效率，并扩展 MD 对复杂废水的适用范围。例如，厌氧膜生物反应器（AnMBR）-MD 组合将生物降解与热分离结合使用。Tibi 等人（2020 年）证明，这种配置可去除超过 99% 的药物（包括双氯芬酸和布洛芬）...

结论与未来方向

本文对膜蒸馏作为一种从复杂水体中去除广泛有机和无机污染物的有前景的技术提供了最新的、全面的和批判性的评估。文献一致表明，MD 的性能受气相质量传递的影响，其排除效率和长期运行稳定性与膜性质、表面化学性质、进料成分和模块配置密切相关。

CRediT 作者贡献声明

Faisal Ahmed:概念化、研究设计、方法论、数据分析、可视化、初稿撰写；Fran?ois Perreault:修订与编辑；Mohamed E.A. Ali:撰写；Mahmut S. Ersan:概念化、研究设计、方法验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、修订与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

北达科他大学 的教师启动资金支持。

Faisal Ahmed|Fran?ois Perreault|Mohamed E.A. Ali|Mahmut S. Ersan

北达科他大学土木工程系，美国 Grand Forks, ND 58202-8115