低碳院开发失效反渗透膜pH响应改性修复技术

  8月29日，低碳院膜分离技术团队针对失效反渗透膜开发了一种化学交联改性修复技术，厘清了失效反渗透膜修复机理与构效关系，提出了修复膜pH响应性能提升机理，验证了修复膜元件在水处理现场的长周期性能稳定性和实用性。相关研究成果发表于SCI水资源一区TOP期刊《Desalination》。

  反渗透膜在工业废污水处理等领域的长期运行过程中，聚酰胺膜表面会不可避免地发生膜污染，造成膜性能直线下降。当膜产水水质不足以满足应用指标时，就需要对膜元件来更换，导致失效废弃的反渗透膜数量日益增多。废弃反渗透膜通常作为固废垃圾被直接填埋，不仅给环境带来非常大压力，更造成资源的浪费。

  膜性能修复可有效延长反渗透膜的常规使用的寿命，但目前报道的改性方法还存在经常使用性能不稳定、无法直接应用于膜元件等问题，因此，亟需开发一种简便、高效并可直接应用于失效反渗透膜元件的改性修复技术，以进一步提升修复膜的常规使用的寿命和膜修复技术的实用性。

  研究团队以聚丙烯酸（PAA）作为修复剂，对失效反渗透膜表面断裂的酰胺键进行修复改性处理。通过活化反应使修复剂与膜表面活性基团发生化学交联反应，有效提升失效反渗透膜的脱盐率，同时引入具有pH响应性的羧酸基团。通过采用ATR-FTIR、XPS、Zeta电位和SEM等表征方法，进一步证实了PAA修复膜上羧基和氨基间形成了稳定的共价结合化学键。

  由于羧酸基团的pH响应性，修复膜上的PAA分子链可随膜应用过程中的碱-酸清洗而发生波动。当环境溶液的pH增加时，去质子化的PAA分子链发生舒张，导致修复膜脱盐率降低；相反地，当pH减小时，质子化的PAA分子链发生收缩，使得修复膜脱盐率升高。由于碱-酸清洗主要引起聚酰胺膜上聚集孔的变化，从而使得PAA修复膜的脱盐率主要受pH变化影响，因此，PAA修复膜可通过工业常规碱/酸清洗工艺调节脱盐性能。

  研究团队对6支在一个煤炭矿井水膜处理系统中使用了5年的废弃反渗透膜元件进行了PAA改性修复，修复后的膜元件脱盐率平均从92.68%提高至97.26%。这些修复膜被重新用于在矿井水处理现场，并在连续运行的185天里，通过及时的酸洗调控使得修复膜性能满足现场需求。现场试验验证了修复膜脱盐率的pH响应特性，长周期稳定性体现出良好的大规模应用潜力。

  膜分离技术是低碳院开展的诸多前沿技术探讨研究之一，应用领域涉及水处理、二氧化碳捕集等。作为国家能源集团直属的前沿研究院，低碳院坚持需求牵引和问题导向，瞄准战略性新兴起的产业和未来产业，开展应用基础研究和前沿引领技术开发，为集团公司加快建设世界一流清洁低碳能源领军企业贡献科技力量。

  海玉琰，博士，低碳院CCUS技术研究中心膜分离技术部门负责人。2016年入职低碳院，主要是做膜材料与膜技术应用研发工作。主持国家能源集团科学技术创新项目3项，申请专利38项，授权发明专利12项，授权实用新型专利4项，PCT国际专利1项，发表论文14篇，SCI/EI收录8篇。

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