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

澎湃新闻·澎湃号·政务8月23日讯：

01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

02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。

03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。

04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。

05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。（本刊有删节）