利用三醋酸纤维素/醋酸纤维素正渗透膜采收小球藻（Chlorella vulgaris sp.）

《Desalination and Water Treatment》：Harvesting microalgae Chlorella vulgaris sp. using cellulose triacetate/acetate forward osmosis membranes

　　

正渗透（FO）因可在无外施液压条件下实现生物质浓缩，在微藻采收中具有潜力；然而膜的渗透性、选择性与污染行为仍是应用中的重要考量。本研究考察了CTA/CA质量比分别为1:2、1:3与1:4的共混膜用于FO法浓缩小球藻（Chlorella vulgaris）的性能。研究人员从孔隙率、水接触角、水通量、比反向盐通量（SRSF）、微藻截留率及通量恢复率（FRR）方面评价膜配方。优化膜进一步通过场发射扫描电镜-能谱（FESEM–EDS）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）与热重分析（TGA）表征。在所考察配方中，CTA/CA（1:2）膜在测试条件下表现最优，获最高水通量（8.38±0.35 L m?2 h?1）、100%表观微藻截留率、低SRSF（0.069±0.002 g L?1）及最高FRR（97.25%），各配方间差异具统计显著性（p<0.05）。该膜同时具最高孔隙率与最低水接触角，进一步表征显示其非对称形貌与适宜热稳定性。7小时短期连续过滤中，优化膜体积缩减系数达1.9且全程维持可测水通量。结果表明CTA/CA共混组成影响膜理化与过滤特性，CTA/CA（1:2）膜在所示条件下具FO法浓缩小球藻潜力。

研究背景方面，微藻因其快速生长、高光合效率及积累高值生化组分的能力，被视为生物燃料、食品、饲料与药物等可再生原料，其中小球藻（Chlorella vulgaris）因适应性强、可固碳而广泛培养；但下游采收占生产成本20%–30%，且藻细胞粒径2–10 μm、密度近水、悬浮稀，使混凝、气浮、沉降、过滤与离心等传统法面临高能耗、高药耗或回收率受限问题。正渗透（FO）依靠渗透压差驱动水迁移，较压力驱动膜过程可降低液压能耗与不可逆污染，但成效受水通量、反向盐迁移、生物质截留、污染行为及浓缩生物质质量共同制约；反向draw溶质迁移还可能改变培养离子环境并影响细胞活性。三醋酸纤维素（CTA）提供机械完整性与盐选择性但偏疏水且贵，醋酸纤维素（CA）亲水廉价但稳定稍弱，共混可调控性能。已有研究指出CTA/CA=1:2在脱盐FO中较优，本研究进而考察更低CTA比例（1:3、1:4）在小球藻采收中的适用性。

主要关键技术方法方面，研究人员通过相转化法制备CTA/CA质量比1:2、1:3、1:4三种铸膜液（总聚合物浓度约13.86 wt%，含PVP-K30、马来酸、甲醇添加剂，1,4-二氧六环/丙酮为溶剂），湿法相转化得250 μm厚膜；以BG-11培养8天的小球藻（ONT R&D Seed Laboratory, Universiti Putra Malaysia来源）稀释至OD₆₈₀=0.627为进料，5 M NaCl为draw溶液，AL–FS朝向、有效面积23.8 cm²、25±2 ℃闭路错流FO装置评240分钟初筛，优选膜续做1小时水稳+7小时连续过滤；表征含FTIR、重量法孔隙率、静态水接触角、FESEM–EDS、AFM、TGA；性能计算水通量J_w、比反向盐通量（SRSF）、截留率与FRR。

研究结果部分，引言阐明FO采收微藻的权衡与CTA/CA共混动机。材料与方法确定藻源、膜配方M1–M3（对应1:2/1:3/1:4）、相转化参数与FO台架（AL–FS取向依据减少支撑层内污染）。膜理化表征（2.3节）显示随CTA降低（M1→M3），FTIR特征峰位与强度微调印证共混比变化；重量法孔隙率M1最高，静态水接触角M1最低，表明高CTA比例（1:2）反致更高亲水性与多孔性。FO过滤性能（2.5节）中M1（1:2）获最高J_w=8.38±0.35 L m^?2 h^?1、表观截留100%、SRSF=0.069±0.002 g L^?1、FRR=97.25%，组间p<0.05；M2、M3通量下降、SRSF升、FRR降。优化膜M1经FESEM–EDS见非对称断面（致密上层+多孔下层），AFM示表面粗糙度适中，FTIR证羟基/乙酰基共存，TGA示热分解台阶适宜，具热稳定性。7小时短期连续过滤（2.4节续做）体积缩减系数1.9，J_w全程可测但未达稳态极值。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出CTA/CA组成调控孔隙率、亲水性、活性层密度从而平衡J_w与SRSF；1:2配方在较低CTA用量下仍保机械可行与高截留，反驳“更低CTA必优”假设，证明此前脱盐最优比可延伸至微藻采收场景。反向盐通量低减缓了NaCl对藻悬液离子扰动，FRR近97%说明AL–FS下污染以可逆为主，轻柔水洗可恢复。7小时VRF=1.9表明无外压FO对稀藻悬液具初步浓缩能力，但尚缺长期运行、细胞活力与光合活性、生物质后续提质数据。结论原文意译：结果显示CTA/CA共混组成影响膜理化与过滤特性，CTA/CA（1:2）膜在考察条件下表现出FO法浓缩小球藻的潜力，为纤维素基FO膜在延长采收条件（生物质回收率、细胞活力、光合表现及下游生物质质量）下的进一步评估提供依据。论文发表于《Desalination and Water Treatment》。