膜污染表征技术研究进展

 

膜法水处理技术应用日益广泛，然而膜污染是降低膜通量、缩短膜寿命期限的主要原因之一。膜污染表征技术的开发有助于深入了解膜污染过程，为研究膜污染机理和膜污染控制策略提供依据。膜污染表征技术复杂多样,研究者在选择合适方法时存在一定困惑。本文以研究目的为分类依据，将现有膜污染表征技术划分为污染层可视化、污染物识别、污染过程分析3种类型，分别总结了每种膜污染表征技术的研究进展和不足，对膜污染表征的未来研究方向提出了展望和建议。

水资源危机已成为限制全球可持续发展的重要挑战之一。

近年来，膜法水处理技术由于其占地面积小、分离效率高、操作成本低和性能稳定等优势，成为应对水资源危机、保障用水安全、提高用水品质的重要手段。

然而膜污染是限制膜技术发展的主要问题之一，通常导致跨膜压差上升，运行能耗增加。

此外，频繁的物理化学清洗会使膜材料和膜结构受到损害，缩短膜的使用寿命，增加膜更换频率，从而增加制水成本。

按照污染物种类不同，膜污染类型可分为有机污染、无机污染和生物污染3大类。

有机污染主要由进水中的蛋白质、多糖和腐殖质等溶解性有机物导致，无机污染是由水体中的碳酸钙、无机胶体、铁盐等无机物造成的污染，生物污染则由膜上细菌等细胞的生长、分解、新陈代谢或聚集形成的生物膜组成。

由于进水水质和运行条件的复杂多样，膜污染通常表现为3种污染的协同作用。对于成因复杂、污染物类型较多的膜污染现象，膜污染表征手段是膜污染研究的基础，有助于研究者识别膜污染成分、掌握膜污染机理并探究有效的膜污染控制方法，从而推动膜技术获得更广泛的应用。

随着膜污染研究的深入和先进表征技术的快速发展，目前仍缺少关于膜污染表征手段的全面综述。

因此，本文将根据研究目的，从污染层可视化、污染物识别、污染过程分析3个方面详细介绍膜污染表征手段的研究进展，为研究者选择合适的表征方法开展膜污染研究提供参考。

上图总结了各种膜污染表征方法分类及其主要用途。上述膜污染表征手段常用于压力驱动膜，包括微/超滤、纳滤和反渗透等。

对于正渗透、膜蒸馏等新型膜技术，大部分膜污染表征方法也同样适用, 例如SEM、EDS、AFM、XPS 等。

需要注意的是，膜蒸馏技术一般用于处理高盐度溶液，高盐度与较高的操作温度使得微生物在膜蒸馏过程中的生长受限。

在膜蒸馏过程中较少出现生物污染。正渗透技术由于以渗透压为驱动力，其膜污染特性和污染层形态可能与压力驱动膜有所不同。因此，对正渗透膜污染过程的实时监测尤为重要。

近年来，各种膜污染表征技术得以快速发展和应用，为解析、预测和控制膜污染提供了坚实基础。

然而，由于污染物的高度复杂性和空间异质性，膜污染过程的准确表征仍具有挑战性，单一的表征手段也存在局限性和不足。

因此，对于未来的研究工作有以下几方面建议：

（1）无标记且可以在线观察的污染层成像手段还需要更多研发及验证。

目前已有一些无标记在线观测的膜污染表征手段，例如QCM-D、OCT等，但由于在膜污染领域的应用时间较短，大多限于模型污染物的研究，

其在实际复杂污染条件下的应用还需更多探索。此外，还需要进一步开发对于膜表面及横断面的高分辨在线观测手段，以便深入分析膜污染过程和机理。

（2）利用不同方法进行协调表征，并将各种表征结果充分关联。

例如，Li等利用宏基因组学、蛋白组学、代谢组学以及微生物多样性的联合分析，对导致超滤膜生物污染的微生物群落结构和代谢途径进行了完整的内在机制探究，证实了多组学分析的必要性。

对于有机、无机、生物污染物共存导致的复合污染，建议通过表征手段联用建立污染关系网络，实现对膜污染关键因子的准确识别。

（3）将数据分析和数值算法同仪器测量结合起来，获得更全面、准确的膜污染信息。

通常用于膜污染表征数据的分析手段包括相关分析、回归分析和多元分析等，可对膜污染表征结果进行更深层次的挖掘。

例如，利用二维相关光谱学（2DCOS）可以获得传统一维光谱中难以区分的信号，进一步解析污染过程中膜污染层表面性质的变化。

（4）建立先进表征与实际膜污染控制之间的桥梁。

分析膜污染成分、解析膜污染机理是提出膜清洗有效策略的重要依据。借助各种膜污染表征手段，构建系统的膜污染理论与清洗策略，有助于膜污染的有效控制以及获得更高效、可推广的膜清洗方案。