典型有机物与超滤膜界面作用及膜污染机制研究

对二级出水中典型有机物的膜通量及膜污染变化情况进行分析比较,并应用扩展DLVO(x DLVO)理论分析了有机物超滤过程中的界面作用能对膜污染行为的影响机制.研究表明,海藻酸钠(SA)导致的膜通量下降最为显著,其次为腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA);就3种有机物而言,膜污染均主要发生在粘附阶段,而在粘聚阶段中膜污染程度较小.对比而言,海藻酸钠(SA)主要形成可逆污染,腐殖酸(HA)和牛血清白蛋白(BSA)则以不可逆污染为主.在过滤过程中,极性界面作用能是控制膜污染的主要因素,HA和BSA的极性界面作用能为正值,能抑制膜污染,而SA的极性界面作用能为负值,会加剧膜污染.3种有机物在粘聚阶段的极性界面作用能均大于粘附阶段,说明粘附阶段的膜污染更严重.     

环境因素对菹草根和叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性的影响

通过改变溶液温度、pH值、ATP浓度、钙浓度和培养液的钙浓度等条件,研究了菹草根和叶细胞质膜Ca2+-ATPase的活性的变化.结果表明,根细胞质膜Ca2+-ATPase的活性在pH 6.0时最高,其最适反应温度为40℃;叶细胞质膜Ca2+-ATPase在一个较宽的pH范围内具有高活性,最适反应温度为45℃;溶液中ATP浓度分别为3mmol/L和4mmol/L时菹草根和叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性最大;无论是菹草根还是叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性,在溶液钙浓度为10-4mol/L时都最高.在营养液中添加不同CaCl2浓度培养菹草,其根和叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性表现出差异,根细胞质膜Ca2+-ATPase活性比叶细胞质膜Ca2+-ATPase活性高,且随营养液中钙浓度的增加,这种差异加大;当营养液中钙浓度在10mg/L(2.5×10-4 mol/L)以下时,Ca2+-ATPase活性逐渐上升,营养液中钙浓度由10mg/L增加到15mg/L,Ca2+-ATPase活性陡然下降,这与溶液钙浓度对Ca2+-ATPase活性的影响相呼应.     

原水中有机物特性对纳滤膜污染的影响

通过XDLVO理论分析了赣江原水中亲疏水性有机污染物对纳滤(NF)膜的污染状况,对选取的不同分子量区间(<100 kDa、<50 kDa、<3 kDa)的6种亲、疏水性有机物及NF膜的界面自由能进行定量分析,分析了膜污染性能,并通过纳滤试验验证通量衰减与界面自由能的对应关系。结果表明：6种不同分子量的亲/疏水性有机污染物对膜造成污染严重程度与XDLVO理论分析结果相符。不同分子量的有机污染物对NF膜污染程度由大到小顺序为小于100 kDa(疏水性)>小于50 kDa(疏水性)>小于3 kDa(疏水性)>小于3 kDa(亲水性)>小于50 kDa(亲水性)>小于100 kDa(亲水性)。分子量<100 kDa的疏水性有机物与膜之间排斥作用最小,污染最为严重。膜表面的污染物主要是多糖、蛋白质和苯环烯烃类,且在过滤初期有机物堵塞膜孔,膜比通量下降速度较快,而在过滤后期滤饼层形成,膜比通量下降速度减缓。     

不同pH值下腐殖酸反渗透膜污染中的界面相互作用解析

应用extended derjaguin-landau-verwey-overbeek (扩展DLVO) 理论评价不同pH值下范德华力、静电力、疏水性力3种界面相互作用对腐殖酸反渗透(reverse osmosis, RO)膜污染的贡献,探究pH值影响腐殖酸RO膜污染的主控机制.对3种常规RO膜的理论分析结果表明,静电力对腐殖酸RO膜污染的贡献很小,范德华力使膜污染加剧;疏水性力会减缓膜污染.与前期粘附阶段相比,后期粘聚阶段中范德华力的贡献有所增大,疏水性力在2个污染阶段中均起主导作用.膜污染随pH值的降低而加重,疏水性力作用能的改变是pH值影响系统界面自由能的主控机制.相应pH值下3种RO膜过滤实验数据及其相关性分析结果表明,扩展DLVO理论能定量评价3种界面相互作用的贡献,界面自由能和膜污染之间有很好的相关关系,RO膜纯水接触角的数值不宜作为评价膜污染的指标.     

Ca~(2+)与Pb~(2+)相互作用对斑马鱼胚胎毒性效应的影响

为探明Ca2+浓度增加是否会使鱼类早期发育阶段对铅毒性的敏感性升高,以及Ca2+单独减弱铅毒性的浓度范围,选用斑马鱼胚胎作为实验材料,记录在不同的水化学参数条件下,胚胎发育过程中一些具有代表性的毒理学终点,采用相对易于观察且敏感的指标--72 h孵化率进行分析.用Visual MINTEQ2.5.2软件进行溶液中离子的化学形态分析.结果表明,当Ca2+浓度从0.25 mmol/L增加到2.00 mmol/L时,导致了以自由铅离子活度({Pb2+})和溶解态铅总浓度([Pb] T)表示的72 h EC 50的增加(表现为发育延迟),两者之间存在良好的线性关系.通过这一线性关系,可以对Ca2+浓度对铅毒性的影响进行预测.这一结果支持了生物配体模型(BLM)概念的假设,说明在胚胎的表面,铅离子与钙离子可能在传输和毒性作用位点上存在竞争作用.而当Ca2+浓度从2.00 mmol/L增加到4.00 mmol/L时,72 h EC 50 {Pb2+}和72 h EC 50 [Pb] T并没有显著的增加.     

典型一价阳离子对蛋白质膜污染的影响特性

通过耗散型石英晶体微天平结合自制的聚偏氟乙烯(PVDF)芯片,考察离子强度为0mmol/L及Li Cl、Na Cl、KCl离子强度为100mmol/L条件下,牛血清蛋白(BSA)在PVDF界面的微观吸附过程及吸附层结构特征,结合宏观膜污染及膜性能恢复试验,从微观角度阐述了膜污染过程中离子水合作用的产生过程及其影响因素,进一步解析了一价阳离子对超滤膜蛋白质污染行为的影响机制.结果表明:与离子强度为0mmol/L时相比,无论是Li~+、Na~+或K~+离子的存在,皆可有效触发PVDF-BSA及BSA-BSA之间的水合排斥力,进而减缓BSA在PVDF膜面的吸附累积速率,形成松散的BSA吸附层,相应膜污染减缓.但是Li~+、Na~+及K~+3种阳离子对膜污染的缓减幅度并不相同,离子半径越小,BSA在膜面的吸附累积速率越慢,吸附层越松散,相应膜不可逆污染越小,说明膜污染幅度与离子半径成正相关关系,这主要是因为上述3种阳离子所产生的水合排斥力不同所致.     

正常污泥和膨胀污泥中EPS膜污染特性及其与膜表面作用能分析

胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)是导致膜污染的重要物质,且不同形态污泥的EPS具有不同的性质,研究正常污泥和膨胀污泥的EPS膜污染特性具有重要意义.因此,实验考察了正常污泥和膨胀污泥的膜污染速率.结果表明,膨胀污泥膜污染速率远高于正常污泥,膨胀污泥EPS(Bulking sludge-EPS,BS-EPS)浓度((172.9±10.4) mg·g-1)明显高于正常污泥EPS(Normal sludge-EPS,NS-EPS)浓度((95.9±6 6) mg·g-1),且膨胀污泥的蛋白质/多糖(Protein/Carbohydrate,P/C)值(2.26)高于正常污泥的P/C值(1 97)此外,通过序批式吸附实验研究了正常污泥和膨胀污泥的EPS膜污染差异,并基于Derjaguine-Landaue-Verweye-Overbeek (XDLVO)理论计算了EPS与PVDF膜表面之间的作用能结果表明,EPS-膜系统的总界面能为负值,即EPS-膜系统之间会发生自吸附行为,而膜与BS-EPS的总界面能(-63.943mJ.m2)较膜与NS-EPS(-56.366 mJ·m2)具有较高的能量,因此,BS-EPS与膜的吸附力较强;NS-EPS和BS-EPS主要能量壁垒分别为8.89 kT和7.51 kT,表明NS-EPS与膜之间的排斥力更强,因而BS-EPS更容易造成膜污染     

水质环境条件对恒流超滤过程的影响研究

研究了用聚丙烯腈中空纤维超滤膜组件净化含腐殖酸类有机物模拟废水的恒流膜过程,考察了水中的Ca2+浓度、离子强度、pH值等水质环境条件对超滤膜过滤性能的影响。试验结果表明,增加水中Ca2+浓度,增大溶液离子强度,以及降低pH值均能增大跨膜压差的增加速率;增加水中Ca2+浓度和降低pH值的效果较明显。Ca2+、离子强度变化基本不影响有机污染物的去除率,而pH值的升高降低了膜对水中有机污染物的去除率。     

沙尘暴PM2.5水溶和有机成分对巨噬细胞的损伤

用超纯水或二氯甲烷从甘肃省武威市和内蒙古包头市采集的沙尘暴细颗粒物(PM2.5)中提取水溶成分和有机成分,于体外处理大鼠肺泡巨噬细胞4h,测定细胞谷胱甘肽(GSH)和丙二醛(MDA)含量、质膜ATP酶活性、膜表层和膜脂疏水区流动性、胞质内游离钙离子(Ca2+)浓度以及细胞培养液中乳酸脱氢酶(LDH)和酸性磷酸酶(ACP)活性.结果表明,沙尘暴PM2.5水溶成分可抑制质膜Ca2+-Mg2+-ATP酶、Na+-K+-ATP酶活性,降低质膜表层和膜脂疏水区流动性,增加胞质LDH外渗,并使细胞脂质过氧化作用增强、抗氧化能力减弱,但对ACP和Ca2+浓度影响不大;有机成分除引起胞质LDH渗漏、质膜Na+-K+-ATP酶活性下降外,对其它测定指标的影响无统计学意义.说明沙尘暴PM2.5水溶和有机成分均可对肺泡巨噬细胞产生毒性,其中水溶成分的毒性作用大于有机成分.     

蛋白质及无机离子对纳滤膜去除PFOS的影响

以全氟辛烷磺酸（PFOS）为目标去除物,选取牛血清蛋白（BSA）为典型蛋白质类有机物,考察了BSA及其浓度,以及BSA与无机离子共存时,离子强度、离子种类对聚酰胺纳滤膜去除水中PFOS的影响.研究发现,原液中存在BSA时,PFOS的去除率有显著提高,而且BSA浓度越高,PFOS的去除率越高;当BSA与无机离子共存时,离子强度越大,PFOS去除率越高.这可能是因为BSA不但会吸附一部分PFOS,还会造成膜污染,BSA浓度越大,膜污染越严重,膜的筛分能力越强,且膜面与PFOS之间的静电排斥力越大,从而提高了PFOS的截留率.而无机离子的存在减小了BSA分子之间及与膜面之间的静电排斥力,使BSA污染层更加厚实,进一步增强了膜的筛分能力.此外,Ca²⁺提高PFOS去除率的能力优于Na⁺.     

xDLVO理论解析微滤膜海藻酸钠污染中pH值影响机制

用extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek(xDLVO)理论定量解析不同pH值下海藻酸钠微滤膜污染过程中的界面相互作用,评价范德华力(LW)、双电层作用力(EL)、极性力(AB)对海藻酸钠微滤膜污染的相对贡献.结果表明,在pH5~9范围内,AB相互作用能起着关键作用,决定了总界面相互作用能的性质与强度.不同pH值下海藻酸钠微滤膜污染趋势(K)为pH 5 > pH 7 > pH 8 > pH 9. 由于与海藻酸钠之间的界面作用为引力,疏水性膜在过滤初期膜污染更为严重;污染后期亲、疏水性膜污染行为差异不明显,因为此时海藻酸钠之间的排斥性界面作用为主导.初始、后期阶段K值分别与膜-海藻酸钠界面自由能、海藻酸钠-海藻酸钠界面自由能有较强的线性相关性,说明xDLVO理论可以有效预测不同pH值下海藻酸钠微滤膜污染行为.     

XDLVO理论解析不同离子条件下海藻酸钠微滤膜污染

应用extended Derjaguin-Laudau-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论定量解析海藻酸钠微滤膜污染中界面微距作用力,探讨不同离子条件对膜污染影响的主控机制.结果表明,对于亲水性膜表面,范德华力促进膜污染,极性作用力阻碍膜污染;而对于疏水性膜表面,范德华力减缓膜污染,极性作用力加速膜污染.海藻酸钠与微滤膜接触时双电层作用力对膜污染贡献相对微弱.离子强度及钙离子对海藻酸钠微滤膜污染的影响主要是通过改变极性作用力来实现的.较高的离子强度会降低极性作用力的排斥性或升高极性作用力的吸引性,从而加重海藻酸钠微滤膜污染.虽然钙离子使出水通量急速下降,但钙离子的存在使得物理清洗效率提高.不同离子条件下初始阶段及后期阶段污染趋势K分别与膜-海藻酸钠粘附自由能及海藻酸钠-海藻酸钠粘聚自由能具有良好的线性相关性,表明XDLVO理论适用于描述不同离子条件下海藻酸钠微滤膜污染行为.     

污水再生处理反渗透系统进水膜污堵潜势评价方法及指标体系

由于污水中的有机物含量显著高于海水,因此污水再生处理反渗透（RO）系统面临比海水淡化RO系统更加严重的污堵问题。为了有效预测和控制RO膜的污堵,需要对RO系统进水污堵潜势进行全面评价。从颗粒物/胶体污堵、无机结垢、有机污堵和生物污堵4个方面,分析了目前RO系统理论研究和工程实践中常用的进水污堵潜势评价方法和指标体系的特点。针对颗粒物/胶体污堵和无机结垢,实际工程中的潜势评价与控制方法已经相对成熟。然而,目前污水再生处理RO系统的工程设计中尚无针对有机污堵和生物污堵的指标。现有研究表明,在污水再生处理RO系统中,当进水ρ（DOC）<4 mg/L时,RO膜的污堵速率显著降低,可将该数值作为RO系统进水水质设计的参考。除有机物总量外,还应综合考虑有机物分子量和亲疏水性-酸碱性等组分特性,大分子、疏水中性和酸性物质更容易沉积于RO膜面导致污堵。在生物污堵方面,现有的针对进水生物量和生物膜生长速率（BFR）的指标均不能有效反映进水的生物污堵潜势,因此,生物污堵的预防和控制,仍是未来RO系统污堵防控领域的研究重点。     

Effects of different Ca2+ behavior patterns in the electric field on membrane fouling formation and removal of trace organic compounds

The effects of Ca²⁺ on membrane fouling and trace organic compounds (TrOCs) removal in an electric field-assisted microfiltration system were investigated in the presence of Na⁺ alone for comparison. In the electric field, negatively charged bovine serum albumin (BSA) migrated towards the anode far away from the membrane surface, resulting in a 42.9% transmembrane pressure (TMP) reduction in the presence of Na⁺ at 1.5 V. In contrast, because of the stronger charge shielding of Ca²⁺, the electrophoretic migration of BSA was limited and led to a neglectable effect of the electric field (1.5 V) on membrane fouling. However, under 3 V applied voltage, the synergistic effects of electrochemical oxidation and bridging interaction between Ca²⁺ and BSA promoted the formation of denser settleable flocs and a thinner porous cake layer, which alleviated membrane fouling with a 64.5% decrease in TMP and nearly 100% BSA removal. The TrOCs elimination increased with voltage and reached 29.4%–80.4% at 3 V. The electric field could prolong the contact between TrOCs and strong oxidants generated on the anode, which enhanced the TrOCs removal. However, a stronger charge shielding ability of Ca²⁺ weakened the electric field force and thus lowered the TrOCs removal.     

超滤膜材料对SiO2-有机物膜污染行为的影响

选用聚偏氟乙烯（PVDF）及乙烯乙烯醇共聚物（EVOH）2种超滤膜，针对SiO₂-牛血清蛋白（BSA）及SiO₂-腐殖酸（HA）2种无机-有机混合污染物，通过单种及混合污染物过滤实验，结合各污染物与膜之间作用力的测定，考察膜材料对SiO₂-有机混合污染物膜污染行为的影响机制.结果表明：与单种有机污染物HA或BSA相比，SiO₂-HA/BSA混合污染物对PVDF及EVOH超滤膜的污染会出现加剧和减缓2种相反的现象.结合作用力结果发现：当膜-SiO₂之间的作用力大于膜-有机污染物之间作用力时，与单种有机污染物相比，SiO₂的存在会加剧膜污染；相反，当膜-SiO₂之间作用力小于膜-有机污染物之间作用力时，SiO₂的存在会有效减缓膜污染.上述结果说明膜材料是控制无机-有机混合污染物膜污染行为的关键因素.     

有机大分子对聚酰胺复合纳滤膜偏硅酸钠污染的影响

选用腐殖酸(HA),海藻酸钠(SA),牛血清蛋白(BSA)和偏硅酸钠分别模拟水体中有机大分子和无机污染物对聚酰胺复合纳滤膜进行了膜污染试验.结合原子力显微镜(AFM)及自制的胶体探针定量测定了不同条件下,膜-偏硅酸钠以及偏硅酸钠-偏硅酸钠之间的作用力.分析了污染膜的表面结构特征及其通量恢复率,系统考察了膜表面吸附不同有机大分子后,对随后硅酸盐污染行为的影响.结果表明:膜表面吸附HA和SA后,膜面负电位增加,与偏硅酸钠之间静电斥力变大,导致其结合能力减弱,减缓了结垢污染.然而,吸附BSA后的膜与无有机条件膜相比,负电位基本一致,故对纳滤膜结垢过程几乎无影响.     

蛋白质对PVDF超滤膜污染行为的界面微观作用力解析

采用原子力显微镜,结合自制微颗粒探针,对膜-污染物及污染物-污染物间微观作用力进行了检测分析,考察了不同p H条件下牛血清蛋白(BSA)在不同界面特性PVDF超滤膜上的膜污染行为.结果表明,在膜过滤初期,通量剧烈衰减主要由BSA和膜之间黏附力作用导致,在膜过滤后期,BSA与BSA之间的黏聚作用则是影响后期膜污染行为的主要因素;PA膜-BSA和PP膜-BSA之间的黏附作用力均大于BSA-BSA之间的黏聚作用力,说明在整个膜过滤过程中,BSA与PVDF超滤膜之间的黏附作用对膜污染起主导作用;相同p H条件下,PA膜-BSA之间的微观作用小于PP膜-BSA之间的相互作用力,说明亲水性较强的PA膜具有较强的抗污染性;而PA膜和PP膜过滤后期BSA-BSA之间黏聚力相差不大,也进一步说明膜过滤过程中膜-污染物之间的微观作用力是影响膜污染行为的主要因素.     

高压膜表面性质对膜污染的影响机制

围绕纳滤膜和反渗透膜在水处理应用中的膜污染问题,论述了膜表面亲疏水性、荷电性、官能团和粗糙度4种关键性质对包括有机污染、无机污染、结垢污染和生物污染在内的不同污染类型的影响,分析了研究中由膜表面性质耦合性和污染物性质差异所导致的不同结论,并总结了膜表面各性质对膜污染的影响机制以及存在不确定性的原因,可为针对膜表面性质与膜污染相关性的研究和抗污染膜的研发提供建议。     

反渗透膜生物污堵监测及其控制的研究进展

综述了RO膜面微生物群落结构及EPS的最新研究进展,并对RO膜生物污堵的监测技术和控制方法进行总结。膜面微生物中变形菌门（α-,β-和γ-变形菌纲）、拟杆菌门和浮霉菌门相对丰度较高,产生EPS较多的鞘氨醇单胞菌属、假单胞菌属在膜污堵中起到重要作用。EPS中多糖更易附着于膜面,EPS中大分子组分的RO膜污堵潜势更高,透明胞外聚合物（TEP）能促进生物污堵的形成。对进水中有机物参数和微生物参数的测定能反映进水RO膜污堵潜势,但并不能用于确定膜面污堵的实际情况。而对RO膜组件的动态监测能够及时反映膜污堵状态。进水预处理和膜清洗已被用于延缓RO膜生物污堵,而膜改性和生物处理等方法的开发为RO膜生物污堵的控制提供了新途径。根据研究现状,认为今后反渗透膜抗生物污堵的研究需要完善进水生物污堵潜势评价指标,加大对膜面污堵中优势菌群和污堵潜势大的EPS的控制研究,并对新型抗污染改性膜的工程实用性进行关注。