新膜技术 | 膜与膜污染优解技术
导言
从水净化到制药业与食品业等，膜技术在这些行业中都发挥着至关重要的作用。在世界水日的今天，我们重点介绍一些用于消除膜污染最新研发成果，以及一些重塑膜技术的领先公司。目的是，让地球人均能享受充足、干净的饮用水，同时享受清洁、惬意的水环境。
膜技术当前面临之挑战
经过多年发展，水行业膜市场可能已经相对成熟和稳定。但是，诸如膜污染等运行中的问题与挑战以及包括去除有机物在内的新应用场景需求，引发了一些戏剧性的膜发展。
在膜行业拥有40年经验的专家Graeme Pearce博士表示：有两个领域的需求尚未得到满足：
1、在海水反渗透（RO）过程中，膜预处理不一定能解决RO生物膜污染问题
2、在饮用水市场，新的重点是去除溶解有机物，特别是PFAS（全氟/多氟烷基化合物）和其它在环境中难以分解的人造有机物，即，所谓的“永久化学品”。
他在接受水《技术在线/Aquatech Online》采访时说：“尽管良好的设计和操作能应对当前有机聚合物膜的问题，但陶瓷膜的使用可能最终会带来一种稳健的解决方案。”
成熟的应用包括：饮用水和污水中直接过滤需求、膜生物反应器（MBR）和海水淡化中预处理过程。如果给水系统膜污染倾向相对较低，则现有聚合物就能很好地应对这一挑战，而且随着时间的推移，其性能也在稳步提高。
运营挑战
“然而，在某些情况下，颗粒物污染和有机物吸附性污染构成了严峻的挑战。” Pearce补充道。
尽管在解决膜污染和有机物积聚方面取得了巨大进展，但挑战仍然存在。新膜材料开发在解决膜污染挑战和使膜更能去除溶解有机物方面显示出了希望，从而解决了新的应用焦点。
Pearce相信这可能有助于打开陶瓷膜的大门。他说：“聚合物膜的亲水性增强随着时间推移而降低，使其容易受到有机膜污染的影响。”
“化学清洁剂也加剧了这个问题。陶瓷膜具有固有的亲水性和可调节的表面电荷，可抵抗膜污染和化学降解。石墨烯膜有较好前景，但需要进一步研发。持续研究对于优化这些解决方案至关重要。”
膜技术发展前沿
多年来，重大科研进步推动了膜技术的发展，提高了效率、可持续性和多功能性。其中，膜技术最前沿的领域之一是对纳米技术的集成。
通过利用碳纳米管、石墨烯和纳米纤维等纳米材料，研究人员在膜性能方面取得了显着改进。与传统材料相比，这些纳米结构膜具有更高选择性、更高渗透性和优异抗污染性。通过采用纳米技术，膜可以抵抗有机物堆积引起的膜污染，延长其使用寿命并减少维护要求。
“智能膜”出现也标志着膜技术向前迈出了重要一步，旨在响应pH、温度和压力等外部刺激，从而实现对过滤过程的动态控制。
通过实时调整渗透性，智能膜可以减轻有机物堆积造成的膜污染，确保长期稳定的性能。此外，这些膜为能够自我调节和优化自主过滤系统铺平了道路，进一步降低了结垢的风险。
仿生膜技术
受大自然的启发，仿生膜模仿生物体中膜的结构和功能。通过结合仿生原理，研究人员开发出的膜具有前所未有的效率和多功能性。
例如，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所研究人员一直在研究受细胞膜结构启发的仿生膜。他们的工作涉及构建和模拟生物膜中选择透过性和自我修复机制的合成膜。这些技术可用于提高过滤和反渗透等水净化过程的效率和选择性，从而解决与获取清洁饮用水相关的挑战。
麻省理工学院 (MIT) 研究人员受细胞膜中水通道蛋白结构的启发，开发出了仿生膜。这些膜旨在根据大小和电荷选择性过滤分子，模仿天然水通道蛋白的功能。
麻省理工学院受水通道蛋白启发的仿生膜研究可能会促进海水淡化技术的进步，从而更有效地去除海水中的盐和污染物，以生产用于消费和农业用途的淡水。
这些膜具有更强的选择性、坚固性和抗污特性，使其成为从生物医学设备到食品加工等应用领域的理想选择。通过模仿自然过滤机制，仿生膜可以有效对抗有机材料堆积引起的膜污染，即使在更极端环境中也能确保可靠的性能。
3D打印和增材制造技术出现也彻底改变了膜制造工艺。通过利用数字设计和快速原型制作的力量，研究人员可以创建复杂的膜结构，并精确控制孔径、形态和表面特性。
这使得能够开发适合特定应用的定制膜，优化性能并降低制造成本。此外，增材制造可以将功能添加剂和纳米材料直接集成到膜基质中，从而增强抗污染性并延长膜的使用寿命。
膜蒸馏是传统分离过程的一种有前途的替代方法，具有能耗低和环境影响最小等优点。在膜蒸馏中，疏水膜将热流和冷流分开，使挥发性成分蒸发并作为渗透物收集。该工艺特别适合浓缩热敏物质、处理苦咸水以及从工业废水中回收有价值的溶剂。
研发中的抗垢膜技术
ZwitterCo苦咸水反渗透 (BWRO) 膜
ZwitterCo新型苦咸水反渗透 (BWRO) 膜是一种抗有机污染的苦咸水膜，可将清洁频率降低高达90%。该公司声称，这可以降低运营成本，同时提供可靠的BWRO性能。
频繁清洗导致的膜污染和降解一直困扰着整个行业，也同时导致停机时间过长、运营成本增加和膜寿命缩短。在全球范围内，有数以万计的工业BWRO系统处理地表水，并面临天然有机物和生物生长的困扰，这些物质粘附在膜表面并阻碍膜功能。
ZwitterCo为一家水技术公司，筹集了历史上最大的A轮融资之一，以助力该项目。
BWRO膜的其它高污染应用包括污水处理系统的二级处理和高级处理。再生水需求不断增长，推动了对新型BWRO膜的需求，以克服这些传统的膜污染挑战。
ZwitterCo表示，其两性离子膜技术直接解决了BWRO系统维护的长期挑战。由于具有对不可逆有机膜污染的免疫力，BWRO元件在测试中已被证明只需用水冲洗即可恢复膜性能，即使在过滤高浓度污水后也是如此。这使得维护周期变长，膜性能恢复完全，并延长了膜的使用寿命。
Hydranautics的LFC技术
Hydranautics低膜污染复合 (LFC) 元件结合了中性表面电荷和亲水性，据称可显著降低膜污染率，并通过在清洗后恢复标称性能来提高膜效率。
该膜非常适合处理大量市政和工业用的高标准水，迄今为止，这些水需要在任何复合反渗透膜的上游进行大量给水预处理。
通过与Nitto合作及其膜解决方案实施，Hydranautics为智利托科皮亚市建设了具有可持续性和环保意识的供水基础设施。Hydranautics提供了反渗透膜系统，以应对托科皮亚市在确保可持续饮用水源方面所面临的挑战。SWC6-LD膜满足了海水淡化厂的需求，因为它具有高流量、较低能量需求和低盐通过率的独特组合。
Hydranautics确保托科皮亚市能够利用膜系统，高效地将海水转化为安全、清洁的饮用水，这不仅提高了产水量，而且最大限度地减少了能源消耗并保持了低盐通过率，满足了托科皮亚市对可持续供水的严格要求。
这种膜技术使托科皮拉市能够减少对容易受到污染和环境退化影响的地表水源的依赖，同时还提供不受气候影响的水源，以满足人们当前和未来的需求。
NX Filtration中空纤维纳滤
NX Filtration中空纤维纳滤 (HFNF) 膜旨在应对水处理过程中的膜污染挑战。
这些膜采用中空纤维结构设计，具有无与伦比的抗污染能力，同时可有效去除水中有机物和盐分，最大限度地减少大量预处理的需要。
HFNF膜核心在于获得专利的逐层沉积工艺，可确保精确的截留率和通量特性，且不受膜污染的影响。这种创新方法延长了膜的使用寿命，在面对膜污染挑战时提供一致、可靠的运行。
HFNF模块采用开放式、低膜污染结构，无需垫片，简化了维护并确保即使在最恶劣的条件下也能不间断运行。
与HFNF膜相结合，NX Filtration还创建了一个预测工具，为膜污染形成过程提供有价值的见解，使用户能够做出明智的决策并优化水处理过程的性能。
NX Filtration支持其合作伙伴最大限度地减少碳足迹，并在全球30个国家/地区生产大量清洁水。直接纳滤（dNF）技术将NX Filtration定位为创新和增长颠覆者的角色。
其在瑞典的一个项目值得注意。NX Filtration向RecoLab项目交付了用于去除微污染物和有机物的纳滤膜，以有效回收赫尔辛堡的灰水、黑水和厨余垃圾。
截至目前，该公司表示该项目运行稳定。NX Filtration的dNF40膜组件已被证明在生产高质量水方面非常可靠，整个系统正在生产沼气和肥料，并回收80%的灰水。该项目有助于降低碳足迹、增加可再生能源产量、养分和水的再利用。
Dupont的B-Free解决方案
杜邦公司的B-Free解决方案是其数年研究和开发的成果。其技术旨在解决反渗透系统中当藻类和细菌等有机物积聚并阻碍系统性能时之生物膜污染问题。B-Free不使用化学品，而是依靠基于容器的培养基技术，该技术创造了一个不利于这些生物体生长的环境。这使得它适用于饮用水和工业领域。
在水进入反渗透过程之前，它会经过B-Free系统，在该系统中创建恒定的生物静态环境。这种环境通过允许生物层在介质顶层颗粒之间均匀生长方式来防止生物膜污染的有害影响。该层充当屏障，确保排出的水即使在系统启动期间也保持生物静态。一旦该生物层达到一定的临界质量，它就会从系统顶部被冲走，而培养基则被保留以供继续使用。
杜邦技术在西班牙Masplomas海水淡化厂由Elmasa自来水公司进行了成功测试。该公司表示，在18个月试用期内，B-Free证明了其在完全消除生物膜污染方面的有效性。这使得试点工厂能够顺利运行，而不会遇到生物膜污染引起的问题。相比之下，平行运行的全规模工厂则继续遭受生物膜污染的负面影响。
未来——持续研究至关重要
这些进步只是膜技术所提供无限精彩的一瞥。通过结合纳米技术、智能膜、仿生设计、增材制造和膜蒸馏等创新技术，研究人员在对抗膜污染和有机物沉积方面取得了重大进展，从而提高了膜系统的效率、可持续性和可靠性。
然而，正如Pearce总结的那样，持续研究至关重要。随着这些技术的不断发展，我们可以期待过滤领域会取得更大的突破，推动跨行业的积极影响，并解决当今地球所面临的一些最紧迫的挑战。
