“小”孔里有“大”玄机——纳滤膜污染机理新发现

PAHs是一种由多个苯环组成的有机微污染物，具有强烈的致畸和致癌性，主要来源于各种碳材料（化石燃料和生物质等）的不完全燃烧。各类工业废水（主要是焦化废水）中都含有大量的PAHs。由于纳滤膜可高效截留小分子有机物，通常作为废水处理的终端步骤，因此解析PAHs对纳滤膜的污染机理，对含PAHs废水的处理具有重要的指导意义。焦化废水中存在的PAHs主要包括萘及萘的甲基化衍生物，以及由三到五个苯环组成的PAHs，它们的分子量一般都低于500 Da。基于此，研究人员选择了五种商品化聚酰胺纳滤膜，研究了它们在处理含PAHs模拟料液和真实焦化废水过程中的截留和污染机理。萘，6-甲氧基-1,2,3,4-四氢萘和芘（包含四个苯环）被选为模型污染物。

该研究团队发现聚酰胺纳滤膜对PAHs有很强的吸附能力，过滤初期，PAHs在纳滤膜上吸附是其主要截留机理。但由于溶解-扩散作用，被膜吸附的PAHs会逐渐扩散解吸透过膜，导致其表观截留率下降。分子排阻作用是纳滤膜去除PAHs的另一重要机理，PAHs分子量越大，极性越弱，在膜上吸附量越低，膜对其分子排阻作用越强。然而，虽然PAHs吸附会造成膜渗透通量和孔隙率下降，但并不一定导致纳滤膜的平均孔径变小和对中性小分子截留率变大。通过分析纳滤膜处理PAHs前后的孔径分布，发现对孔径较小且孔径分布较窄的膜（如NF270），PAHs会无差别的吸附在几乎所有膜孔中。虽然这种无差别吸附会造成膜孔堵塞，但膜的孔径分布和平均孔径却基本不变。对于孔径较大且孔径分布较宽的膜（如NF10），PAHs主要吸附在纳滤膜的大孔中（扩散阻力低，局部通量高），产生缩孔效应导致其孔径分布变窄和平均孔径变小。但由于该纳滤膜在吸附PAHs后的孔径仍远大于一些亲水中性小分子的水合半径（葡萄糖和丙三醇等），所以PAHs吸附基本不会影响纳滤膜对它们的截留能力。

当用纳滤膜处理含PAHs的真实焦化废水时，废水中包含的无机盐及其它有机物会导致更严重的膜污染现象，膜通量大幅衰减，但PAHs的截留率在膜污染到一定程度时有略微上升。通过简单的化学清洗，基本可清除吸附在膜上/内的PAHs，但清洗液中的PAHs仍会造成二次污染。

该研究得到水污染控制与治理重大科技计划 (2017ZX07402001-004)、中国科学院青年促进创新计划(2017069)的资金支持。相关研究成果发表在Journal of Membrane Science, 582, 2019 ,264-273。