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中科院生態環境研究中心俞文正課題組CEJ:不同地表水中生物大分子聚合物和高分子量腐殖質對納濾膜污染的影響
2022-08-31  來源:中國聚合物網

  納濾(NF)是一種從地表水中獲得純凈、安全飲用水的非常有前景的技術。NF不僅能夠有效去除地表水中大部分污染物、有機物,同時在我們近期的研究中發現NF可以有效截留飲水處理過程中產生的消毒副產物(DBPs),從而可能降低與DBPs毒性相關的癌癥風險(Nat Sustain 5, 689-698, 2022)。然而,膜污染是限制NF可持續凈水性能的主要障礙,盡管目前關于NF膜污染方面的研究已經被廣泛報道,但大部分研究局限于使用模型污染物(BSA, HA, SA)或少量的地表水樣品。實際上,這些模型污染物難以真實地反映地表水中天然有機物(NOM)的性質,例如:組成、結構和化學性。此外,地表水中NOM的理化特性隨地理位置、水文條件和氣候等因素高度可變,因此,使用不同地區,不同性質的多種實際地表水研究NF膜污染更具實際意義。


  近期,中國科學院生態環境研究中心俞文正研究員團隊與北京理工大學劉婷副教授合作對中國北方地區(北京市)和南方地區(浙江省)的典型地表水(水庫水、河水和湖水)進行了采樣研究,重點分析了地表水中有機物的組成、特性及其對NF膜污染的影響,并采用相關性分析從一系列不同特性的水質參數中識別出了影響NF膜污染的關鍵因素。研究發現地表水中高濃度的,具有高濃度生物大分子聚合物(biopolymer)導致NF膜污染而低濃度反而能保護納濾膜,同時高分子量的腐殖質(分子量:4200-10000 Da)可能對NF膜起到保護作用。Ca2+和腐殖質的總量并不能解釋NF膜污染。相關成果以“Insights into the properties of surface waters and their associated nanofiltration membrane fouling: the importance of biopolymers and high molecular weight humics”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上。文章第一作者是中國科學院生態環境研究中心博士生田隆,通訊作者是北京理工大學化學與化工學院劉婷副教授和中國科學院生態環境研究中心俞文正研究員



  對于同一地區,不同類型的地表水,水庫水具有最低的濁度、zeta電位值(絕對值)、平均分子尺寸和DOC值,河水次之,湖水最高。對同一類型,不同地區的地表水,南方水樣表現出更低的濁度、更高的zeta電位值、更大的平均分子尺寸和更低的DOC值。同時南方地表水的芳香度/疏水性高于同類型的北方水(圖12)。這些結果表明:研究所選取的地表水水質參數具有顯著的差異性,同時也反映出南方地表水具有更優的水質。


1 地表水水質分析:apH值和以OD600 表示的濁度;(bzeta電位值;(c)以E2/E3表示的有機物平均分子尺寸;(d)金屬離子濃度。圖 (a-c) 中帶顏色的矩形框表示不同類型的地表水,藍色、粉色和綠色分別代表水庫水、河水和湖水,每一個矩形框內,左邊為南方水樣,右邊為北方水樣。


2 地表水中有機物分析:aDOC濃度;(b)以SUVA值表示的芳香度/疏水性;(c)水中有機物的FTIR光譜;(d水中有機物的表觀分子量分布。圖 (a-b) 中帶顏色的矩形框表示不同類型的地表水,藍色、粉色和綠色分別代表水庫水、河水和湖水,每一個矩形框內,左邊為南方水樣,右邊為北方水樣。


  不同地表水導致的膜污染程度具有顯著的差異性,膜污染程度遵循以下規律:HZ < YWR < ZZY < NCH < JM < YWV,并且該規律與水中biopolymer的含量規律一致(圖2d和圖3a),表明高濃度的biopolymer可能是導致NF膜污染的主要因素。有機物截留分析發現膜能夠完全去除biopolymer,但對腐殖質的截留率低于42%,并且膜對南方水中腐殖質的截留率顯著高于北方水樣(圖3b-3d。這主要是由于南方水樣中有機物的疏水性更強,以及biopolymer在膜表面的沉積提高了膜對低分子量腐殖質的截留。


3a)歸一化的通量下降及反洗后膜通量恢復;(bNF膜后水中有機物的分子量分布;(c)膜對地表水中腐殖質的截留率,黃色和藍色矩形框分別表示南方水樣和北方水樣;(d)膜對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) 腐殖質的截留率。


  將不同的水質參數與膜污染程度和污染類型建立相關性分析,發現膜污染程度與biopolymer含量表現出最強的正相關 (R = 0.94, P < 0.05), 該結果表明高濃度的biopolymer是導致NF膜污染的主要因素。Ca2+和腐殖質的含量與膜污染之間沒有顯著的相關性(分別為:R = 0.6, P > 0.05R = 0.31, P > 0.05),因此,對于實際地表水,水中的Ca2+和腐殖質的含量并不能預測NF膜污染。然而,腐殖質中高分子量組分所占的比例與膜污染之間呈現出顯著的負相關 (R = -0.89, P < 0.05), 表明該組分可能對NF膜起到保護作用。這種保護效應的合理解釋為高分子量的腐殖質優先沉積在膜表面,形成了一個控制層,從而阻礙了低分子量物質進入和堵塞膜孔。此外,biopolymer含量,中分子量組分在腐殖質中所占的比例與不可逆污染顯著正相關(分別為:R = 0.93, P < 0.05R = 0.87, P < 0.05),而SUVA值和高分子量組分在腐殖質中所占的比例與可逆污染顯著正相關(分別為:R = 0.81, P < 0.05R = 0.87, P < 0.05)。這些新的發現對研究實際地表水NF污染行為,識別地表水中不同組分對膜污染的影響以及開發和制定NF膜污染控制策略提供了借鑒和參考。


4 膜污染程度和類型與獨立的水質參數之間的相關性,其中%-LWM%-MWM %-HWM分別表示低分子量、中分子量和高分子量組分在腐殖質中所占的比例;%-TY%-TR%-FA%-SMP%-HA分別為三維熒光光譜中酪氨酸類、色氨酸類、富里酸類、溶解性微生物副產物類和腐殖酸類物質所占的比例;T-foulingR-foulingIr-fouling分別為總污染、可逆污染和不可逆污染,藍色和紅色分別表示負相關和正相關;符號 * 表示 P < 0.05


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138682


作者簡介


俞文正,中國科學院生態環境研究中心研究員,浙江寧波人,曾獲歐盟“瑪麗居里國際引進學者”基金(IIF)、中組部海外高層次人才青年項目,2021年北京市杰出青年基金,中國城市科學研究會韌性城市專業委員會委員,Membranes期刊(IF 4.5)編委、Chinese Chemical Letters期刊(IF 6.67)和FESE青年編委,2021年起入選全球前2%頂尖科學家榜單(環境領域)。本科就讀于武漢大學給水排水工程專業,后保送至哈爾濱工業大學碩博連讀,導師為李圭白院士。博士期間在英國倫敦大學學院(UCL)聯合培養一年(Simon Li Scholarship),導師為絮凝領域權威John Gregory教授。2010年進入中科院生態中心曲久輝院士課題組工作,任助理研究員。2012年底獲得歐盟“瑪麗居里國際引進學者”基金資助,2013年開始在英國帝國理工學院從事科研工作(合作導師為環境工程系時任系主任Nigel Graham教授)。2018年1月回到生態中心工作。俞文正研究員的研究方向是飲用水中有機物的產生、轉化和去除及其對人體健康的影響,包括污染物去除和水質與慢性疾病相關性。其學術成果以第一或通訊作者已發表SCI論文近100篇,影響因子>10的論文60余篇,其中1篇Nature Sustainability、1篇Communications Chemistry(Nature數據庫)、本領域著名期刊ES&T和Water Research共33篇。



田隆,中國科學院生態環境研究中博士生,已經在ES&T,Chemical Engineering Journal,Journal of Membrane Science等期刊發表膜方面相關論文若干篇。

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(責任編輯:xu)
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