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中科院生态环境研究中心俞文正课题组CEJ:不同地表水中生物大分子聚合物和高分子量腐殖质对纳滤膜污染的影响
2022-08-31  来源:中国聚合物网

  纳滤(NF)是一种从地表水中获得纯净、安全饮用水的非常有前景的技术。NF不仅能够有效去除地表水中大部分污染物、有机物,同时在我们近期的研究中发现NF可以有效截留饮水处理过程中产生的消毒副产物(DBPs),从而可能降低与DBPs毒性相关的癌症风险(Nat Sustain 5, 689-698, 2022)。然而,膜污染是限制NF可持续净水性能的主要障碍,尽管目前关于NF膜污染方面的研究已经被广泛报道,但大部分研究局限于使用模型污染物(BSA, HA, SA)或少量的地表水样品。实际上,这些模型污染物难以真实地反映地表水中天然有机物(NOM)的性质,例如:组成、结构和化学性。此外,地表水中NOM的理化特性随地理位置、水文条件和气候等因素高度可变,因此,使用不同地区,不同性质的多种实际地表水研究NF膜污染更具实际意义。


  近期,中国科学院生态环境研究中心俞文正研究员团队与北京理工大学刘婷副教授合作对中国北方地区(北京市)和南方地区(浙江省)的典型地表水(水库水、河水和湖水)进行了采样研究,重点分析了地表水中有机物的组成、特性及其对NF膜污染的影响,并采用相关性分析从一系列不同特性的水质参数中识别出了影响NF膜污染的关键因素。研究发现地表水中高浓度的,具有高浓度生物大分子聚合物(biopolymer)导致NF膜污染而低浓度反而能保护纳滤膜,同时高分子量的腐殖质(分子量:4200-10000 Da)可能对NF膜起到保护作用。Ca2+和腐殖质的总量并不能解释NF膜污染。相关成果以“Insights into the properties of surface waters and their associated nanofiltration membrane fouling: the importance of biopolymers and high molecular weight humics”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是中国科学院生态环境研究中心博士生田隆,通讯作者是北京理工大学化学与化工学院刘婷副教授和中国科学院生态环境研究中心俞文正研究员



  对于同一地区,不同类型的地表水,水库水具有最低的浊度、zeta电位值(绝对值)、平均分子尺寸和DOC值,河水次之,湖水最高。对同一类型,不同地区的地表水,南方水样表现出更低的浊度、更高的zeta电位值、更大的平均分子尺寸和更低的DOC值。同时南方地表水的芳香度/疏水性高于同类型的北方水(图12)。这些结果表明:研究所选取的地表水水质参数具有显著的差异性,同时也反映出南方地表水具有更优的水质。


1 地表水水质分析:apH值和以OD600 表示的浊度;(bzeta电位值;(c)以E2/E3表示的有机物平均分子尺寸;(d)金属离子浓度。图 (a-c) 中带颜色的矩形框表示不同类型的地表水,蓝色、粉色和绿色分别代表水库水、河水和湖水,每一个矩形框内,左边为南方水样,右边为北方水样。


2 地表水中有机物分析:aDOC浓度;(b)以SUVA值表示的芳香度/疏水性;(c)水中有机物的FTIR光谱;(d水中有机物的表观分子量分布。图 (a-b) 中带颜色的矩形框表示不同类型的地表水,蓝色、粉色和绿色分别代表水库水、河水和湖水,每一个矩形框内,左边为南方水样,右边为北方水样。


  不同地表水导致的膜污染程度具有显著的差异性,膜污染程度遵循以下规律:HZ < YWR < ZZY < NCH < JM < YWV,并且该规律与水中biopolymer的含量规律一致(图2d和图3a),表明高浓度的biopolymer可能是导致NF膜污染的主要因素。有机物截留分析发现膜能够完全去除biopolymer,但对腐殖质的截留率低于42%,并且膜对南方水中腐殖质的截留率显著高于北方水样(图3b-3d。这主要是由于南方水样中有机物的疏水性更强,以及biopolymer在膜表面的沉积提高了膜对低分子量腐殖质的截留。


3a)归一化的通量下降及反洗后膜通量恢复;(bNF膜后水中有机物的分子量分布;(c)膜对地表水中腐殖质的截留率,黄色和蓝色矩形框分别表示南方水样和北方水样;(d)膜对不同地表水中低分子量 (LMW, 300-1400 Da), 中分子量 (MMW, 1400-4200 Da) 和高分子量 (HMW, 4200-10000 Da) 腐殖质的截留率。


  将不同的水质参数与膜污染程度和污染类型建立相关性分析,发现膜污染程度与biopolymer含量表现出最强的正相关 (R = 0.94, P < 0.05), 该结果表明高浓度的biopolymer是导致NF膜污染的主要因素。Ca2+和腐殖质的含量与膜污染之间没有显著的相关性(分别为:R = 0.6, P > 0.05R = 0.31, P > 0.05),因此,对于实际地表水,水中的Ca2+和腐殖质的含量并不能预测NF膜污染。然而,腐殖质中高分子量组分所占的比例与膜污染之间呈现出显著的负相关 (R = -0.89, P < 0.05), 表明该组分可能对NF膜起到保护作用。这种保护效应的合理解释为高分子量的腐殖质优先沉积在膜表面,形成了一个控制层,从而阻碍了低分子量物质进入和堵塞膜孔。此外,biopolymer含量,中分子量组分在腐殖质中所占的比例与不可逆污染显著正相关(分别为:R = 0.93, P < 0.05R = 0.87, P < 0.05),而SUVA值和高分子量组分在腐殖质中所占的比例与可逆污染显著正相关(分别为:R = 0.81, P < 0.05R = 0.87, P < 0.05)。这些新的发现对研究实际地表水NF污染行为,识别地表水中不同组分对膜污染的影响以及开发和制定NF膜污染控制策略提供了借鉴和参考。


4 膜污染程度和类型与独立的水质参数之间的相关性,其中%-LWM%-MWM %-HWM分别表示低分子量、中分子量和高分子量组分在腐殖质中所占的比例;%-TY%-TR%-FA%-SMP%-HA分别为三维荧光光谱中酪氨酸类、色氨酸类、富里酸类、溶解性微生物副产物类和腐殖酸类物质所占的比例;T-foulingR-foulingIr-fouling分别为总污染、可逆污染和不可逆污染,蓝色和红色分别表示负相关和正相关;符号 * 表示 P < 0.05


  原文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138682


作者简介


俞文正,中国科学院生态环境研究中心研究员,浙江宁波人,曾获欧盟“玛丽居里国际引进学者”基金(IIF)、中组部海外高层次人才青年项目,2021年北京市杰出青年基金,中国城市科学研究会韧性城市专业委员会委员,Membranes期刊(IF 4.5)编委、Chinese Chemical Letters期刊(IF 6.67)和FESE青年编委,2021年起入选全球前2%顶尖科学家榜单(环境领域)。本科就读于武汉大学给水排水工程专业,后保送至哈尔滨工业大学硕博连读,导师为李圭白院士。博士期间在英国伦敦大学学院(UCL)联合培养一年(Simon Li Scholarship),导师为絮凝领域权威John Gregory教授。2010年进入中科院生态中心曲久辉院士课题组工作,任助理研究员。2012年底获得欧盟“玛丽居里国际引进学者”基金资助,2013年开始在英国帝国理工学院从事科研工作(合作导师为环境工程系时任系主任Nigel Graham教授)。2018年1月回到生态中心工作。俞文正研究员的研究方向是饮用水中有机物的产生、转化和去除及其对人体健康的影响,包括污染物去除和水质与慢性疾病相关性。其学术成果以第一或通讯作者已发表SCI论文近100篇,影响因子>10的论文60余篇,其中1篇Nature Sustainability、1篇Communications Chemistry(Nature数据库)、本领域著名期刊ES&T和Water Research共33篇。



田隆,中国科学院生态环境研究中博士生,已经在ES&T,Chemical Engineering Journal,Journal of Membrane Science等期刊发表膜方面相关论文若干篇。

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(责任编辑:xu)
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