主要参与人：俞文正，马百文，戚菁
膜技术以其优良的截污效能已广泛应用于实际饮用水净化工程，但膜污染始终是膜技术进一步发展的瓶颈。基于此，2019年度重点研发了深度剖析膜污染机制的仪器系统及高效截留抗污新材料、新技术，取得主要进展如下：
1. 研发膜表面微环境监测仪器系统。在膜滤过程中，污染物与膜表界面的微区作用是解析膜污染机制的关键。为此，自主研发了表面微环境监测仪器系统（图1）。以水溶液中pH这一核心要素，首先开发了一种pH超微电极拉制方法，并构建了一套原位观测颗粒物-水界面pH的仪器系统。在此基础上，原位观测了高岭土、硅藻土、规则球状SiO2等颗粒物与水形成的微界面。发现在距离颗粒物表面10 nm左右的微区范围内，随着与颗粒物表面的空间距离缩小，微区内pH值降低。这一趋势与双电层理论提出的模型相一致。随着溶液离子强度的提高，研究测量出的双电层厚度与离子强度的平方根呈反比，也与双电层的理论数量关系相符合。该研究为进一步勾勒膜表面滤饼层中不同物化性质组分“地貌图”提供了重要手段，对深入阐明膜污染形成与减缓的微界面机制具有重要意义。相关成果发表于Sci. Total Environ.等期刊，申请发明专利2项。
图1 颗粒物表面微环境仪器系统示意图
2. 耦合电化学强化选择性分离新材料。针对膜技术面临渗透性与选择性之间的“trade-off”难题以及膜污染、高能耗等实际挑战，耦合电化学可以显著提高对带电粒子的截留并缓解膜污染。设计合成了石墨烯-碳纳米管三维全碳导电纳滤膜，发现膜电极的电容离子会增强滤膜Donnan效应，进而提高纳滤膜截盐效率和对二价离子的选择性。基于电化学调控位阻筛分作用，合成了聚吡咯掺杂十二烷基苯磺酸（PPy/DBS）导电膜，对滤膜分别施加氧化和还原电位可有效调控滤膜孔径，还原后PPy/DBS导电膜大孔径比例明显降低。在膜孔伸缩过程中反冲洗滤膜易缓解膜孔堵塞，水通量提高20%以上，且多次使用后仍能保持较好的抗污染性能。同时，PPy/DBS导电膜可以动态调整滤液中有机物分子量分布，较小孔径的滤膜增强了位阻筛分作用，污染物在滤液中的分布明显降低，实现了对不同分子量污染物的选择性分离（图2）。该研究对膜法水处理过程中防污和选择性分离具有科学意义，相关成果发表于Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A等期刊。
图2 基于膜孔伸缩机制的污染物位阻筛分示意图
3. 旋转膜组件强化膜污染减缓新技术。传统混凝-膜组合工艺中膜组件往往静置于膜池，致使层流运动引起的滤饼层厚且密实，成为膜污染的主要原因。如何充分利用动态条件下水流特征，科学合理地调控滤饼层并最终实现膜污染自清洁，是解决膜污染问题的重要手段。为此，基于紊流和涡旋理论，利用絮体松散的特性，通过调控膜组件旋转方式、旋转频率、旋转时间，发现适度旋转膜组件能有效降低滤饼层厚度，减缓膜污染，尤其是在酸性条件下（图3）。与往复旋转相比，螺旋式旋转时膜表面所受剪切力更大，更易减缓膜污染。值得注意的是，膜组件旋转并未影响污染物去除效率。此外，较大密度的铁盐絮体使其在旋转过程中由于离心作用脱离膜表面，而铝盐絮体密度低，离心作用影响较小，仍能紧密吸附于膜表面，进而有效保护超滤膜。相关成果发表于J. Membr. Sci.等期刊，申请专利2项，获E方论坛“膜分离技术与创新”优秀论文奖。
图3 膜组件旋转减缓膜污染示意图
