随着工业废水循环利用要求的提升，零排放（ZLD）与水回用已成为工业可持续发展与绿色转型的必然要求，膜分离技术是ZLD的核心。但高盐工业废水的盐含量高且组成复杂，同时存在硅、有机物、微生物等复杂组分，且不同组分间存在复杂的物化与生物作用，导致结垢过程与机制复杂，因此，膜结垢是限制膜脱盐过程稳定运行的难点。揭示ZLD系统的膜结垢机制有利于开发膜结垢控制技术。然而，目前膜结垢机制及其控制研究主要关注单一或简单二元的膜结垢体系，其成核与结晶机制无法推广到实际复杂工业废水的ZLD系统。
针对ZLD系统中膜结垢的复杂过程与机制，魏源送研究组与德国杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授、比利时鲁汶大学Bart Van der Bruggen教授合作，以膜蒸馏（MD）与纳滤（NF）的两个潜力ZLD技术为对象，基于实际工业废水的关键组成，解析了不同组分在膜结垢过程中的关键作用，阐明了不同驱动力膜过程的结垢模式差异及其机制，主要结果如下：1）揭示了MD过程从异质结晶到同质结晶转变的三阶段结垢过程，阐明了高盐条件下体相结晶是MD的关键结垢机制，明确了有机物和硅对MD膜结垢的关键影响。2）明确了NF的主要结垢机制为表面结晶，解析了硅酸盐与镁形成无定型的硅酸镁类复合物是NF结垢的关键污染物。3）揭示了有机物在膜结垢的双面作用，一方面促进膜的初期污染与结垢，另一方面可通过晶面的定向吸附及络合作用阻碍钙盐的体相结晶，体现出一定的阻垢作用。4）系统比较了压力驱动膜（如，NF）与热驱动膜（如，MD）过程的差异化结垢模式及机制，解析了温度、操作压力、剪切速率和产水驱动力是结垢模式变化的关键原因，揭示了有机物和硅在MD和NF过程的作用差异。该研究结果加深了对ZLD处理实际高盐废水过程的膜结垢机制的理解，并可为高盐废水在管路运输、蒸发结晶及膜处理等过程的结垢控制提供借鉴，为膜技术在ZLD系统处理实际高盐废水提供科技支撑。
图11 膜脱盐过程混合结垢解析研究
相关研究成果发表在Water Research（Libing Zheng et. al 2024:121671 (In press); Libing Zheng et. al 2024(250):121023; Libing Zheng et. al 2023(238):120032）。郑利兵副研究员为论文第一作者，生态环境中心魏源送研究员、杜伊斯堡-埃森大学Mathias Ulbricht教授和鲁汶大学Bart Van der Bruggen为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(52270081)、国家重点研发计划(2021YFC3201403)、德国洪堡学者项目、欧盟玛丽居里学者项目(101059796)等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121671
https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120032
https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121023
水污染控制实验室
2024年5月15日