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2026

JECE｜使用硅酸钠溶胶-凝胶汲取液进行压力响应纳滤海水淡化：性能增强和硅酸盐结垢机理

作者：

英文题目

Pressure-responsive nanofiltration for seawater desalination using sodium metasilicate sol-gel draw solution: Performance enhancement and silicate fouling mechanisms

使用硅酸钠溶胶-凝胶汲取液进行压力响应纳滤海水淡化：性能增强和硅酸盐结垢机理

期刊名称： Journal of Environmental Chemical Engineering

发表日期： 2026年7月6日

DOI号： 10.1016/j.jece.2026.123986

摘要内容

正向渗透（FO）工艺使用硅酸钠（SMS）溶胶-凝胶汲取液进行海水淡化面临挑战，因为三醋酸纤维素（CTA）成本高、水通量低且成本高。为解决这一问题，需要一种具有高水渗透性和盐截留率的低成本膜。压力响应纳滤（PRNF）膜由于其优异的水渗透性和抗污染性，为增强FO性能提供了机会。本研究评估了PRNF膜与CTA基准膜的性能，在0–4 bar的水压下使用DI水、NaCl和海水进料以及1 M SMS汲取液测量水通量、回收率、截留率和反向盐通量（RSF）。PRNF优于CTA，在4 bar时水通量增加，PRNF和CTA对DI水进料分别达到40 LMH和12.34 LMH，但对海水进料分别降至7.09 LMH和4.46 LMH。两种膜对Si和Na离子的截留率相当，均超过99%。膜污染被确定为不可逆的Mg/Ca硅酸盐结垢。随后，在4 bar下对PRNF进行五个连续过滤循环的海水性能研究，并在进料中添加EDTA以防止Ca/Mg硅酸盐结垢。在每个循环之间使用pH 11的NaOH清洗膜，*大限度地减少了活性层上的Mg/Ca硅酸盐结垢，同时消除了支撑层中的此类结垢。研究发现，在pH 9时，二氧化硅聚合引发结垢，而Mg交联稳定了凝胶；而在pH 11时，结垢由Ca诱导的二氧化硅结垢触发。此外，PRNF膜的横截面SEM未检测到严重结垢或孔堵塞，而EDX图谱表明无机盐呈弱局部沉积。XRD分析进一步显示活性层上有少量结晶沉积物，主要与方解石（CaCO₃）和可能的氢氧化镁（Mg(OH)₂）有关，而支撑层的结晶沉积物更弱。总体而言，与CTA膜相比，PRNF膜表现出更好的水通量和溶质截留性能。

研究背景和意义

正向渗透（FO）是反渗透和纳滤的有前景的替代方案，但传统CTA膜成本高且水通量低，限制了FO技术的大规模应用。现有研究已探索压力辅助FO（PAFO）和刺激响应膜（如温度响应、pH响应）来提升性能，PRNF膜因其高渗透性和选择性被开发用于结合渗透与液压驱动力，在废水处理和海水淡化中展现出优异潜力。此外，硅酸钠（SMS）溶胶-凝胶因具有高渗透压、无需再生的特点被提出作为汲取液，稀释后可用于农业提供氮磷营养。然而，SMS溶胶-凝胶的高粘度、pH响应聚合行为以及潜在的硅垢问题，尚未在PRNF膜体系中进行研究。因此，本研究*将PRNF TS80膜与SMS溶胶-凝胶汲取液相结合，系统比较了PRNF与商用CTA膜在不同进料（DI水、0.5 M NaCl、海水）和压力（0、2、4 bar）下的性能，评估了长期运行稳定性，并针对硅酸盐结垢开发了EDTA螯合与NaOH化学清洗的缓解策略，为低成本、*率的海水淡化提供了新思路。

实验步骤

本研究采用两种商用平片膜：三醋酸纤维素（CTA）FTSH₂O膜（Sterlitech Corporation，美国，活性层接触角68.1°，支撑层60.2°）和薄膜聚酰胺纳滤TS80膜（TRISEP，活性层接触角17.4°，支撑层58.3°，膜厚145 μm，孔隙率57%）。实验前，将膜置于FO池中用去离子水对活性层和支撑层分别润湿约1小时。SMS溶胶-凝胶汲取液制备：将300 mL去离子水与61 g硅酸钠在1 L烧杯中连续搅拌，制成1 M均质溶液；在通风橱中逐渐加入70%硝酸调节pH至目标值（7、9或11），当pH低于11硅胶开始形成时，额外加入200 mL去离子水使总体积达500 mL，持续搅拌稳定硅胶形成*长6小时。采用Sterlitech CF042台式横流FO池（有效膜面积42 cm²），通过微型齿轮泵使两侧溶液以2 L/min循环（横流速度33 cm/s），进料侧施加0、2、4 bar液压压力，膜取向均为活性层朝向进料液（ALFS）。长期性能测试在4 bar下进行5个连续6小时循环，使用海水进料和pH 9的1 M SMS汲取液，并在0.5 L海水中加入7 g EDTA以螯合Ca²⁺/Mg²⁺；每个循环后，用pH 11的NaOH溶液清洗膜两侧30分钟，再用去离子水冲洗30分钟。通过天平连续记录进料质量变化计算水通量，电导率仪监测RSF，ICP-MS测定Na和Si浓度，并结合SEM、EDX、XRD和FTIR对膜污染进行表征。

主要结果和结论

PRNF膜在所有测试中均显著优于CTA膜。在4 bar下，DI水进料时PRNF平均水通量达40 LMH，是CTA（12.34 LMH）的3.4倍；海水进料时达7.09 LMH，是CTA（4.46 LMH）的1.8倍。PRNF的反向盐通量（RSF）随压力增加显著降低，在4 bar时仅为0.22 g/m²h，比CTA（1.9 g/m²h）低近9倍，Js/Jw选择性达0.006 g/L。两种膜对Na和Si的截留率均超过99%。长期循环实验表明，经过5个6小时循环后，PRNF平均水通量仅下降14.7%，各循环间通量衰减稳定在3.7%–4.2%，显示出良好的操作稳定性。污染分析证实，膜污染主要由Mg/Ca硅酸盐和碳酸盐引起；通过EDTA螯合和NaOH清洗，活性层Si含量从8.84%降至2.7%，支撑层从32.7%降至8.5%，污染减轻18–142倍。XRD检测到方解石（CaCO₃）、少量氢氧化镁（Mg(OH)₂）及可能的硅酸钙沉积，但均为局部轻微沉积，未造成严重孔堵塞或膜结构损伤。此外，PRNF膜成本比传统CTA膜低10倍以上，结合SMS溶胶-凝胶可实现无需再生的海水淡化，稀释后的汲取液还可用于农业营养供给。

详细机理

在pH 11条件下，硅酸盐主要以单体SiO₃²⁻和HSiO₃⁻形式存在，聚合倾向较低；此时Ca²⁺首先与SiO₃²⁻快速反应，形成结晶/半结晶硅酸钙晶核并在膜表面异相成核，而Mg²⁺因具有更大的水合壳反应较慢，随后形成无定形硅酸镁凝胶覆盖在硅酸钙层上，构成致密坚硬的垢层。在pH 9条件下，硅酸盐主要以原硅酸H₄SiO₄形式存在，即使没有Ca²⁺/Mg²⁺也有强烈的聚合倾向，通过缩聚反应形成三维硅氧烷（Si–O–Si）网络；此时Mg²⁺作为交联剂与聚合二氧化硅相互作用形成硅酸镁凝胶复合物，Ca²⁺则作为成核位点嵌入凝胶基质中，形成厚而可压缩的无定形凝胶层。添加EDTA后，Ca²⁺和Mg²⁺被有效螯合（Ca-EDTA稳定常数logK≈10.7，Mg-EDTA logK≈8.7），阻止了Mg诱导的凝胶交联和Ca诱导的异相成核，使二氧化硅以单体/低聚体形式分散，粘附性显著降低，形成弱凝胶污染，可通过NaOH清洗有效逆转。同时，PRNF膜的高水通量稀释了汲取液侧边界层的离子浓度，进一步降低了RSF；其更强的负电荷也增强了对离子的静电排斥作用，从而实现了高通量、低污染和高选择性的协同提升。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/421O-HV24FSkzxxwbc3ajA