综述：报废反渗透膜：水处理系统中的回收途径、性能限制及循环经济潜力

《Journal of Water Process Engineering》：End-of-life reverse osmosis membranes: Recycling pathways, performance constraints, and circular economy potential in water treatment systems

　　

•反渗透污染源于限制性能的四种耦合机制。
•清洗可恢复通量但会加速聚酰胺降解。
•废弃的反渗透膜可用于纳滤/超滤应用。
•表面再生可恢复选择性和膜寿命。
•重复使用和回收可降低排放并支持循环经济。

引言
在人口扩张、工业化以及气候变化驱动的水文变化等多重压力叠加下，全球淡水压力正在加剧 [1], [2]。联合国 (UN) 世界水资源发展报告 (WWDR) 指出，到本世纪中叶，全球各部门的水需求将继续上升，其中最显著的增长集中在发展中国家 [3]。目前约有 22 亿人无法获得安全管理饮用水，预计 2050 年之前，全球近三分之二的人口每年至少有一个月会经历缺水 [4]。在此背景下，海水和微咸水淡化已成为传统淡水供应在结构上不可或缺的补充，特别是在干旱和半干旱地区 [5], [6]。

在淡化平台（图 1）中，包括热法（多级闪蒸、多效蒸馏）、膜法和替代工艺 [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]，反渗透（RO）已实现技术和商业主导地位，截至 2026 年，占全球 17,950 个运营中淡化设施的约 69%，签约全球产能达 1.28 亿 m3 day?1 [9], [14]。这种 RO 技术的特征是高脱盐率（>99%）、相对于热法替代方案的低比能耗、操作模块化以及成熟的工程基础设施 [15], [16]。现代 RO 的支柱是薄膜复合（TFC）膜，其中通过在多孔聚砜（PSF）或聚醚砜（PES）中间层上支持的非织造聚酯背基表面，通过间苯二胺（MPD）和均苯三甲酰氯（TMC）的界面聚合形成超薄的芳香族聚酰胺（PA）选择层，提供了溶质传输的主要屏障 [17], [18], [19], [20]。

尽管该技术已成熟，但 TFC RO 膜面临两个相互关联的操作挑战，限制了长期可持续性。首先，膜污染，定义为胶体颗粒、有机大分子、难溶无机盐和微生物在膜表面或其结构内的可逆或不可逆积累，导致通量逐渐下降、跨膜压力升高和能耗增加，最终需要更换膜 [21], [22], [23]。虽然存在各种缓解策略，包括预防性预处理和定期使用常规化学清洗剂（包括酸、碱和苛性物质（如 HCl, NaOH, Na4EDTA, 柠檬酸），根据污染物类型选择）进行化学清洗，但在连续操作下，膜寿命周期仍会随时间推移而受到影响 [11], [24], [25]。其次，由此产生的寿命终止（EoL）组件大规模积累：每年丢弃超过 200 万个螺旋卷式元件，产生超过 30,000 吨聚合物固体废物 [26], [27]，而 Senán-Salinas 等人 [28] 估计，每年约有 14,000 吨 EoL RO 膜废物被填埋。因此，传统的处置路线，主要是填埋，较少见的是焚烧，带来了显著的环境和经济影响 [29], [30]。

循环经济框架提供了一致的解决方案：EoL RO 膜而非被处置，可以在经过最小修改后重新部署于低压 NF 或 UF 等效应用中，或者通过对 PA 活性层进行受控氧化降解或对暴露的 PSF 支撑层进行高级表面再生来回收 [31], [32], [33]。

近期的综述从互补的角度考察了 EoL RO 膜管理。Somrani 等人 [34] 对 EoL 膜重复使用提供了全面概述，涵盖污染、清洗和再生、膜转化为 NF、UF 和 FO 膜以及水处理应用。Arshad 等人 [35] 通过整合膜材料科学、聚合物化学和环境工程，开发了基于机制的循环重复使用和增值路线图，同时解决了聚酰胺去除不完全、聚合物不相容、可扩展性和监管限制等挑战。Seibel 等人 [36] 提供了更广泛的以过程为导向的 EoL 框架，涵盖从收集、临时储存到重新润湿、清洗、直接重复使用、回收和升级的`技术和后勤序列，并评估了技术成熟度和可操作的管理层级。尽管有这些重要贡献，膜操作历史与其 EoL 状态之间的关系仍未得到充分综合。污染特征和严重程度影响清洗需求，而重复或强力的清洗可诱导聚酰胺活性层和表面性质的进一步变化。这些累积效应随后可能影响废弃膜用于直接重复使用、表面再生、重新利用或材料回收的技术适用性。因此，EoL RO 膜不应被视为同质的废物材料，而应视为其剩余物理化学状态反映其之前污染和清洗历史的材料。因此，需要一种综合污染特征、清洗策略和强度、膜老化/降解、剩余膜状态、EoL 路径选择的方法，以补充现有的重复使用、回收和管理框架。

基于之前的研究，本综述发展了一种基于状态的 EoL RO 膜管理视角，将污染驱动的聚酰胺降解与水处理系统中寿命终止管理路径的选择联系起来。本综述并非主要将 EoL RO 膜视为需要回收或增值的废物材料，而是将它们视为潜在的功能性水处理材料，其剩余价值取决于其污染历史、清洗暴露、聚酰胺完整性、分离性能和目标处理应用。材料回收路径不在本工作范围内。

本综述的第一部分概述了主要污染类别的机制特征及其对膜结构和性能的影响。其次，批判性地比较了物理、化学和混合清洗策略，特别强调污染物去除与聚酰胺保存之间的权衡。第三，评估了 EoL RO 膜的主要管理路径，包括直接重复使用、通过受控 PA 层降解的化学转化，以及通过表面改性再生废弃膜。第四，综合报告的性能、环境指标、可扩展性限制和真实水应用，以提出选择 EoL 路径的综合框架。最后，本综述讨论了主要技术、操作、经济和监管挑战，并确定了推进 EoL RO 膜大规模循环管理的未来研究需求。综述最后确定了建立标准化状态分类、预测性 EoL 决策以及技术和环境上可行的 RO 膜循环管理所需的研究优先事项。

部分片段
反渗透膜中的污染
在 RO 应用中，膜寿命受污染和结垢的严重影响，这是两条不同但经常同时发生的降解路径 [37], [38]。污染源于有机物质、无机胶体、生物聚合物和微生物细胞在膜界面及其孔网络内的渐进吸附。这导致清洗需求、进料侧压力需求和能耗不断增加 [39]。相比之下，结垢始于当...的浓度

膜清洗策略
在本综述的范围内，膜清洗被视为 RO 膜生命周期中两个不同阶段。在服务期间，定期清洗用于去除积累的污染物，恢复水力性能，并延迟膜更换 [21]。清洗效率取决于污染物组成、膜和组件兼容性、清洗化学和操作条件。然而，重复或强力的化学暴露可逐渐改变 PA 选择层和

寿命终止 RO 膜的管理
海水淡化 RO 膜的操作服务寿命通常为 5–7 年，受不可逆污染的累积效应、重复清洗周期下 PA 活性层的化学降解以及组件结构老化的限制 [148], [149]。相对于原始膜的完整性和分离性能，当标准清洗协议无法恢复可接受性能且操作超过...时，达到 EoL 阈值

回收的寿命终止 RO 膜在真实水处理中的性能
通过重复使用和回收完成 RO 膜的生命周期被视为减少与丢弃膜处置和新膜生产相关的环境和经济影响的可持续策略。因此，近期研究日益集中于将 EoL RO 膜从实验室规模再生向实际水和废水处理应用延伸。
回收膜在真实处理条件下的性能强烈依赖于...

污染驱动的不逆性和回收可行性
膜回收的基本挑战是 RO 组件操作寿命期间化学不可逆污染成分的积累。与 PA 表面形成共价键或强分子间结合的硅酸盐、氢氧化铝和生物聚合物 EPS 成分抵抗常规清洗协议的去除，产生异质性污染分布，使氧化剂扩散复杂化并降低回收期间 PA 降解的可重复性

结论
本综述建立了一个机制和定量框架，将 RO 膜中污染驱动的 PA 活性层降解与 EoL 管理策略的科学基础联系起来。得出以下主要结论：
(1) 四种污染类别，包括胶体、有机、无机（结垢）和生物，通过不同但经常耦合的物理化学机制运作。每种污染类型的渐进、不可逆部分决定了 PA 的轨迹。

CRediT 作者贡献声明
Nouhaila Laaribi：写作 – 初稿，可视化，方法论，调查，概念化。Abdallah Nayad：写作 – 初稿，可视化，验证，调查。Khalil Aouadi：写作 – 审阅与编辑，验证，概念化。Marouen Jouini：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，调查。Mustapha Ait Ali：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，概念化。Yahya Agzenai Ben Salem：写作 – 审阅与编辑，

关于写作过程中使用生成式人工智能的声明
在准备本手稿期间，作者使用基于大语言模型的生成式人工智能（AI）工具来协助生成图表，并改进文本的语言、语法和可读性。作者仔细审阅、验证和编辑了所有 AI 生成的内容，以确保其准确性、科学有效性以及符合期刊标准。

利益冲突声明
作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能出现在影响本文报告工作的情况中。

致谢
作者衷心感谢 Green Water 项目在 Grant No. AS 181 下的支持。

努海拉·拉里比|阿卜杜拉·纳亚德|哈利勒·奥阿迪|马鲁恩·朱尼|穆斯塔法·艾特·阿里|叶海亚·阿格泽奈·本·萨莱姆