Desalination｜高效节能纳滤膜在饮用水中处理实现高矿物/有机物选择性

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膜术交流

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英文题目:

Multiple modulating energy-efficient nanofiltration membranes during high-quality drinking water towards high mineral/organic matter selectivity

高效节能纳米过滤膜在高品质饮用水中的多重调控，实现高矿物/有机物选择性

期刊名称：Desalination

Available online 2 August 2024

DOI号：10.1016/j.desal.2024.117970

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摘要内容：

本研究针对提高纳米过滤（NF）膜在生产高品质饮用水过程中的矿物/有机物选择性，实现了高通量的策略。通过控制界面聚合（IP）反应速率，在分子水平上定制NF膜的功能，同时调节多个膜属性。选用1,4-哌嗪二乙磺酸（PIPES）作为水相添加剂，利用PIPES与哌嗪（PIP）单体间的氢键作用、长程静电作用和空间位阻效应，以及降低溶液pH值，实现了IP反应速率的精确分子级调控。这种策略同时实现了多种膜属性的集成定制，如高亲水性、高表面电荷密度、均匀的孔径尺寸分布和粗糙度降低。利用分子动力学（MD）和计算流体动力学（CFD）模拟探讨了聚酰胺层结构和形态变化对渗透性能的影响，并用石英晶体微量天平（QCM）分析了污染物在膜上的微观吸附机制。对于特定自然地表水，PIPES-0.75 NF膜展现了高渗透性能（23.7 LMH/bar）、高矿物/有机物选择性（KCa 2+/DOM = 16.5）、出色的抗污染和抗结垢性能，并将每吨水生产的CO2排放量降低了90%。此外，尝试将膜的物理化学属性与透过选择性和膜污染相关联，并检验了PIPES调节NF膜的经济可行性，为从成本降低和效率提高的角度实现饮用水系统中的NF提供了新的选择。

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研究背景和意义:

随着水环境恶化，饮用水资源日益短缺。NF技术以其高效分离能力和简单操作而受到关注。然而，NF膜在有效去除有机物的同时，也不可避免地去除了有益的无机盐离子，增加了有机-无机复合物的污染，导致处理能耗增加和成本上升。因此，实现NF膜的优异矿物/有机物选择性和抗污染性能对于饮用水生产至关重要。

解决的问题：现有NF膜在去除有机物时也去除了有益的无机盐离子，导致水质下降和能耗增加。

创新点：使用PIPES作为添加剂，通过精确控制IP反应速率，实现了膜的多方面属性调节，提高了水通量和选择性，同时降低了污染和结垢风险。

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研究方法:

分子动力学（MD）模拟和计算流体动力学（CFD）模拟用于探索聚酰胺层结构和形态变化对渗透性能的影响。

石英晶体微量天平（QCM）用于分析污染物在膜上的吸附机制。

膜制备过程：

将不同浓度的PIPES和0.25 wt% PIP的水相溶液倾倒在经异丙醇处理的聚醚砜（PES）基底膜上，反应10分钟。

干燥去除多余的水相溶液，再将含有0.1 wt% TMC的有机相溶液倾倒在基底表面，反应1分钟形成聚酰胺层。

去除多余的有机相溶液，进行热固化处理，最终得到NF膜，并根据不同的PIPES添加量命名为PIPES-0至PIPES-1。

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主要结果和结论:

PIPES-0.75 NF膜在处理自然地表水时展现了高渗透性能和高矿物/有机物选择性。

该膜显著减少了膜污染和结垢风险，同时降低了生产成本和能耗。

通过调节PIPES含量，实现了膜孔径的精确控制，提高了水分子传输通道，降低了质量传递阻力，从而提高了渗透性。

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详细机理:

PIPES分子的存在降低了水相溶液的pH值，增加了负表面电荷，提高了亲水性，优化了膜的选择性渗透和抗污染性能。

通过氢键、静电排斥和空间位阻作用减缓了PIP分子的扩散行为，从而抑制了IP反应速率，促进了更薄且更平滑的聚酰胺层的形成。

增加的自由体积分数表明PIPES-0.75 NF膜形成了更多的水分子通道，提高了水的渗透性。

通讯作者信息

柳斌

工作单位：湖南大学

博士，副教授，博士生导师，毕业于哈尔滨工业大学，主要从事绿色饮用水水质安全保障技术、难降解污废水深度处理技术、智慧物联网设备开发与应用等方向。

朱学武

工作单位：山东建筑大学市政与环境工程学院

讲师/博士后朱学武，博士，硕士生导师，毕业于哈尔滨工业大学环境学院，主要从事高通量纳滤膜、抗污染纳滤膜、耐氯性纳滤膜制备以及以纳滤为核心的膜组合工艺开发方面的研究工作，主持中国博士后科学基金、山东省自然科学基金青年基金、山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目、城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金面上项目等6项课题。

mo shu

原标题：《Desalination｜高效节能纳滤膜在饮用水中处理实现高矿物/有机物选择性》

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