《Process Safety and Environmental Protection》：Performance and mechanism of osmotic cleaning for nanofiltration membrane applied in actual printing and dyeing wastewater treatment
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正渗透清洗可有效去除纳米过滤膜污染，10分钟内恢复91.6%过滤性能，优于传统清洗方法，并延长膜寿命。
孙志萌|黄正章|杨一勇|郭鲁刚|张中华|李奎晓|胡志峰|魏建军
中国地质大学（北京）工程技术学院，北京，100083，中华人民共和国
摘要
为了解决印刷和染色废水纳滤处理中的膜污染问题，研究了一种基于正向渗透的清洗方法。在实际印刷和染色废水处理10小时后，NF270纳滤膜仅经过10分钟的渗透清洗，就达到了91.6%的清洗效率。采用SEM、EDS、AFM、三维荧光、ATR-FTIR等分析方法进一步验证了渗透清洗的效率。与传统的水力清洗方法相比，渗透清洗显著延长了膜的化学清洗周期，减少了化学试剂的使用，并延长了膜的使用寿命。这些发现为纳滤膜在废水处理中的应用提供了宝贵的见解，并展示了其广阔的工业前景。
引言
水资源短缺正日益成为全球经济和社会可持续发展的关键挑战（Rich等人，2023年）。工业用水的再利用是缓解全球水危机的关键解决方案（Huang等人，2024年；Santos等人，2023年）。印刷和染色行业是工业废水的主要排放源，而膜技术在废水回收中的应用为这一行业提供了可持续的途径（Ewuzie等人，2022年；Jing等人，2021年；Yan等人，2023年）。纳滤（NF）技术对分子量在200到1000之间的有机化合物具有较高的截留率，这与大多数染料的分子量分布相匹配（Feng等人，2022年；Xu等人，2023年）。此外，NF膜对小分子的截留率较低，允许无机盐和小分子中间体通过。这些特性使得NF成为处理和回收印刷和染色废水的重要技术（?uri?等人，2021年）。然而，作为一种压力驱动的膜过程，NF膜同样面临超滤和反渗透所面临的污染和清洗问题，膜污染仍然是NF发展的主要障碍之一（Wei等人，2024年；Zheng等人，2024年）。膜污染会导致一系列不良后果，包括水流速率降低、水质下降以及运营成本增加。在印刷和染色废水的处理中，NF膜表面的污染物通常是有机和无机污染物的混合物，但具体比例受废水成分、膜特性和操作条件的影响很大。在传统的印刷和染色废水中，有机污染物占60%到80%，主要由染料分子、添加剂、浆料、表面活性剂等组成，而无机污染物占20%到40%，主要由Ca2+、Mg2+、SO42-等盐类和金属离子复合物组成。
尽管预处理（Hampson等人，2024年；Liu等人，2024a）、膜改性（Li等人，2024年）和工艺参数优化可以显著减少膜污染（Deng等人，2021年；Hao等人，2023年），但膜清洗仍然是防止膜污染加剧和快速恢复膜性能的最有效方法（Wang等人，2023年；Zhang等人，2024年）。膜清洗方法可以分为物理清洗和化学清洗。常用的水力清洗往往无法有效去除膜孔内的污染物。此外，反冲洗可能会剥离纳滤膜的分离层并造成永久性损伤（Fang等人，2023年）。另一方面，化学清洗在去除纳滤膜污染方面起着重要作用（Hac?fazl?o?lu等人，2019年；Wadekar等人，2019年）。然而，频繁的清洗会导致膜物理和化学性质的不可逆变化，降低膜组分的性能，并随着时间的推移降低其分离性能（Andrade等人，2017年）。因此，迫切需要开发更高效、更环保的纳滤膜污染去除方法。由于渗透清洗的高效率和环保性，它受到了研究人员的广泛关注（Daly等人，2020年）。这种清洗技术利用正向渗透原理去除污染膜上的污染物。在渗透反冲洗过程中，高浓度盐溶液产生强大的渗透压，使膜出口侧的水逆流。这种反向水流（Motsa等人，2017年）有助于清除或溶解膜表面和孔内的污染物，有效清洗膜并恢复其通量（Alnumani等人，2024年）。渗透清洗技术因其低能耗、无污染、高效的清洗效果以及对膜无损伤等优点而受到重视（Hu等人，2023年）。先前的研究者已经对纳滤或反渗透过程中的有机污染去除进行了大量研究。然而，关于渗透清洗去除污染物的机制的研究仍然有限。此外，纳滤膜在实际废水处理过程中的应用会导致更复杂的膜污染，因此需要进一步研究渗透清洗去除污染物的效率和机制。
关于渗透清洗去除纳滤和反渗透膜污染物的研究主要集中在实验室配置模型污染物上。因此，针对实际废水的研究仍然不足，也应纳入研究议程。例如，Asaf Dana等人研究了渗透反冲洗在NF和RO膜上的应用。对于受污染的纳滤膜，在损失约25%的通量后，进行5分钟的反冲洗后，通量几乎完全恢复。Hyunsu Lee等人发现，渗透反冲洗的清洗效率比化学清洗和盐清洗高出7.3%和20.8%（Lee等人，2021年）。然而，在膜过滤实验中，研究人员使用的是实验室制备的模拟水作为进水，无论是有机还是无机污染物。
总之，关于NF膜渗透清洗的研究主要集中在实验室环境下的模拟废水（Guan等人，2023年），而对于实际印刷和染色废水的纳滤膜清洗研究较少。在印刷和染色废水的处理中，实际废水与模拟废水在应用效果上存在显著差异，主要体现在污染物的复杂性、膜污染行为和膜操作稳定性方面。此外，清洗过程中污染物去除的机制尚不完全清楚。鉴于此，有必要针对实际印刷和染色废水处理开展NF膜渗透清洗的研究。本研究探讨了影响渗透清洗的关键因素，揭示了污染物去除机制，并分析了与传统水洗方法相比的清洗效果。目标是提供一种高效、节能且环保的纳滤膜清洗技术，适用于实际印刷和染色废水处理。
章节片段
化学品和试剂
选择硫酸钠（Na2SO4）溶液作为清洗剂，因为它具有较高的渗透压、低成本，并且对不锈钢管道的影响最小。常用盐溶液的渗透压随浓度变化，如图S1所示。本研究中使用的实验用水是来自纺织厂回收水系统超滤出水口的实际印刷和染色废水，用作纳滤系统的进水
各种因素对清洗效率的影响
根据图1(a)，当硫酸钠浓度低于16%时，清洗效率逐渐提高，最高可达91.6%。这是因为较高浓度会产生更大的渗透压，从而增加反渗透水流速率，增强对膜孔、通道和表面污染物的冲洗效果。此外，高盐溶液有助于溶解膜表面形成的微晶体等污染物
结论
使用硫酸钠作为清洗溶液对实际印刷和染色废水中的NF膜进行了渗透清洗。渗透清洗对膜表面的有机和无机污染物都有良好的清洗效果，清洗效率超过91%。反冲洗在渗透清洗中起主导作用。对渗透清洗机制的探索表明，膜污染去除的能力来自三个方面
CRediT作者贡献声明
李奎晓：撰写 – 审稿与编辑，方法学。张中华：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，资源准备，方法学，调查，资金获取。郭鲁刚：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，方法学。杨一勇：撰写 – 审稿与编辑，调查。胡志峰：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，方法学。魏建军：撰写 – 审稿与编辑，方法学。黄正章：初稿撰写，软件使用。孙志萌：撰写 –
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（编号2022YFC3203004；编号2016YFC0400506）、河北省重点研究项目（编号20373101D）以及北京科学技术研究院的财务计划（创新工程项目）（编号26CA010-02）的支持。
