微滤过程中多糖分子间的交联作用对膜污染的影响
2019-10-11

膜法水处理技术已被广泛用于水处理、海水淡化以及废水回收利用,然而膜污染仍然是膜技术推广应用的瓶颈。膜污染会导致膜系统运行压力增大,出水水质下降,以致不得不通过清洗甚至更换膜组件来继续运行,这极大地提高了膜系统的运行成本。在各类膜污染中,有机物(主要包括多糖、蛋白质和腐殖酸)造成的膜污染最为严重,而其中多糖污染物因其分子量大、分子呈长链状、易与其他物质交联等特点,具有比其他有机物更高的污染倾向,一直是膜污染研究的重点和难点。然而目前的研究大都从宏观层面解析污染物浓度、种类和膜污染之间的关系,忽视了微观层面污染物分子细微结构以及分子间的相互交联作用对膜污染的影响。

在这项研究中,常见多糖物质海藻酸钠和黄原胶及其混合物被用来研究多糖物质的分子结构和分子间交联作用对膜污染的影响。如图1所示,在相同的运行条件下,海藻酸钠引起的通量下降最少,而黄原胶从过滤过程一开始到结束,引起的膜污染都比海藻酸钠严重。最意外是海藻酸钠和黄原胶的混合物造成的膜污染问题比单种多糖物质更为严重。膜通量的下降与混合物中黄原胶的含量密切相关,呈现随黄原胶比例增加而先上升后下降的趋势,在黄原胶含量为50%的时候达到峰值。通过对过滤阻力的分析、污染后膜表面的微观表征和模型拟合发现,多糖物质表现出不同的膜污染倾向是由其分子构造的差异性导致的。海藻酸钠分子比较小并且分子链比较灵活,所以分子链之间不易互相交联形成复杂的结构;而黄原胶因其大而坚硬的分子,分子间反而更容易互相作用形成复杂的网状结构。所以海藻酸钠在微滤过程中能够进入膜孔,导致膜孔阻塞造成污染,而黄原胶则更倾向于在膜表面形成一层凝胶层。海藻酸钠和黄原胶混合在一起时,两种物质的分子通过羟基和羧基之间的交联形成氢键,从而使两种污染物质相互作用形成更大的三维立体结构,导致膜污染。由于羟基和羧基在各类污染物中普遍存在,所以以上的污染物通过分子交联形成更大聚合体导致膜污染的现象在膜过滤过程中广泛存在。而膜污染究竟是由膜孔堵塞还是膜表面污染层形成导致,将取决于污染物分子间交联所形成的聚合体的尺寸和过滤过程所采用的膜孔尺寸。

1 (a)在不同黄原胶含量下的膜污染情况; (b)初始膜通量下降速率随进水中黄原胶含量变化趋势

这项研究中我们测量了各种条件下多糖物质形成透明胞外聚合颗粒物(Transparent Exopolymer Particles, TEP)的情况以对分子间的交联作用进行半定量解析。结果显示,TEP能够较好地指示污染物质分子间的交联程度,对于深入探究膜系统进水的膜污染倾向具有一定意义。这项研究清楚地表明,污染物分子间的相互作用会严重影响膜污染发生机制,因此,将多糖的结构-功能知识与其污染倾向相结合对于以后的研究具有重要意义。此外,值得注意的是,膜系统的进水中除了多糖物质,还有很多无机盐和其他大分子有机物,例如蛋白质、腐殖酸等,这些物质也会影响污染物分子交联,需要在以后的研究中一一论证。本研究发表于《Water Research》,是水资源领域排名第一的期刊,并入选自然指数期刊。

2 黄原胶、海藻酸钠以及它们的混合物中存在的分子间相互作用导致不同的膜污染机制

孟淑娟,空间与环境学院,副研究员,博导,E-mail: mengsj@buaa.edu.cn

参考文献

Meng, S. J., Fan, W. H., Li, X. M., Liu, Y., Liang, D. W., Liu, X. X. Intermolecular interactions of polysaccharides in membrane fouling during microfiltration. Water Research 143 (2018): 38-46.