技术探索：膜技术和其“防污圣杯”

从水的净化到制药生产，膜技术在各行各业中发挥着至关重要的作用。下面我们重点介绍一些最新的发展，以应对与膜过程相关的防污问题，并介绍了正在改变膜技术领域格局的公司。

               

目前膜技术面临的挑战

经过多年的发展，水行业中的膜市场可能已经相对成熟和稳定。然而，操作上的挑战，如防污和新的应用需求，包括有机物去除，引发了一些戏剧性的发展。

拥有40年膜行业经验的膜技术专家格雷姆·皮尔斯博士认为有两个领域的需求尚未得到满足:

 海水反渗透（RO）领域，膜预处理并不能解决RO膜面生物污染问题。

 饮用水市场上，人们开始关注去除溶解有机物，特别是全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）以及难以在环境中降解的人造有机物等，即所谓的“持久性化学品”。

在接受Aquatech Online采访时，他说：“尽管良好的设计和操作应该能够控制当前聚合膜的问题，但陶瓷的使用可能最终会带来一个强大的解决方案。”      

成熟的应用包括饮用水和污水中的简单过滤需求，包括膜生物反应器（MBR）和海水淡化预处理。如果进水的防污倾向相对较低，那么目前的聚合物材料非常适合应对挑战，并且随着时间的推移会不断改进。

运营挑战

“然而在某些情况下，颗粒污染和有机物的吸附污染构成了严重的挑战，”皮尔斯补充道。

尽管在解决膜污染和有机质积聚方面取得了巨大进展，但挑战仍然存在。替代膜材料的发展在解决污染挑战以及使膜更适用于溶解有机物去除方面表现出了潜力，从而应对了新的应用重点。

皮尔斯认为，这可能有助于开启陶瓷膜的大门。“聚合膜的亲水性会随着时间的增加而降低，从而使其容易受到有机污染的影响，”他说。

“化学清洁加剧了这个问题。陶瓷膜具有固有的亲水性和可调的表面电荷，可以抵抗污染和化学降解。其中石墨烯膜表现出潜力，但需要进一步发展。持续的研究对于优化这些解决方案至关重要。”

膜技术的最新发展

多年来，一些重大进展推动了膜技术的发展，提高了效率、可持续性和多功能性。膜技术中最新发展之一是纳米技术的整合。

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著改进。这些纳米结构膜具有增强的选择性、增加的渗透性和优越的抗污性，与传统材料相比表现得更优异。通过整合纳米技术，聚合物 膜能够抵抗由有机物积聚引起的污染，可以延长其使用寿命并减少维护需求。    

“智能膜”的出现也标志着膜技术的重大进步，旨在响应pH值、温度和压力等外部刺激，实现对过滤过程的动态控制。

通过实时调整其渗透性，智能膜可以减轻由有机物积聚引起的污染，确保其长期稳定的性能。此外，这些膜还为能够自我调节和优化自主过滤系统铺平了道路，进一步降低了污染风险。

仿生膜技术

受自然启发，仿生膜模仿了生物体中存在的生物膜的结构和功能。通过融入仿生原理，研究人员开发出了具有前所未有的效率和多功能性的膜。

例如，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的研究人员一直致力于研究受细胞膜结构启发的仿生膜。他们的工作涉及制备能够模仿生物膜中选择性渗透和自修复机制的合成膜。这些技术可以用于改善如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）的研究人员开发了受细胞膜中存在的水通道蛋白结构启发的仿生膜。这些膜能够根据尺寸大小和电荷去选择性地过滤分子，模仿天然水通道蛋白通道的功能。

MIT关于仿生膜技术的研究受到水通道蛋白的启发，这可能会推动海水淡化技术的进步，实现更高效地从海水中去除盐和污染物，进而生产用于饮用和农业用途的淡水。

这些膜具有增强的选择性、耐用性和抗污性能，非常适用于从生物医疗设备到食品加工等各种应用。通过模仿自然过滤机制，仿生膜可以有效对抗有机物积聚引起的污染，即使在恶劣环境中也能确保可靠性能。     

3D打印和增材制造技术的出现也彻底改变了膜制备过程。通过利用数字设计和快速原型制作的力量，研究人员可以创造具有对孔径、形态和表面性质进行精确控制的复杂膜结构。

这使得可以针对特定应用开发定制的膜，优化性能并降低制造成本。此外，增材制造还允许将功能性添加剂和纳米材料直接整合到膜基质中，从而增强抗污性能并延长膜的使用寿命。

膜蒸馏是传统分离工艺的一种有前途的替代方案，具有低能耗和最小环境影响等优势。在膜蒸馏中，疏水性膜可以分隔热流和冷流，使挥发性成分蒸发并作为渗透物进行收集。这个过程特别适用于浓缩对热敏感的物质、处理苦咸水以及从工业废水中回收有价值的溶剂。

目前正在开发什么膜技术来对抗污染？—ZwitterCo苦咸水反渗透（BWRO）膜

ZwitterCo的新型苦咸水反渗透（BWRO）膜是抵抗有机污染的苦咸水膜，可以将清洁频率降低高达90%，该公司声称这将降低运营成本，同时提供可靠的BWRO性能。

膜污染和频繁清洗导致的降解一直困扰着该行业，导致了停机时间过长、运营成本增加和膜寿命缩短等问题。全球有数以万计的工业BWRO系统处理地表水，并面临来自天然有机物质（例如色体）和生物生长的挑战，这些物质会附着在膜表面并影响性能。

ZwitterCo为一家水技术公司筹集了有史以来规模最大的A轮融资以帮助该项目。     

BWRO膜的其他高污染应用包括废水处理系统的二次出水和废水的深度处理。不断增长的废水再利用的需求推动了对新型BWRO膜的需求，以克服这些传统的污染挑战。

ZwitterCo表示，其两性离子膜技术直接解决了在维护BWRO系统中存在的长期挑战。经过测试表明，由于其对不可逆有机污染的免疫性，BWRO系统仅需进行水冲洗即可恢复膜性能，即使在过滤高污染流时也是如此。这使得在需要维护之间可以更长时间运行，实现全面性能恢复，并延长膜的使用寿命。

               

Hydranautics的LFC技术

Hydranautics低污染复合（LFC）材料结合了中性表面电荷和亲水性，据称可以显著降低污染速率，并通过在清洗后恢复正常性能来提高膜效率。

该公司表示，这种膜非常适合处理许多市政和工业应用中的难处理进水，迄今为止，任何复合反渗透膜都需要在上游进行大量的给水预处理。

通过与Nitto的合作并实施其膜解决方案，Hydranautics为智利Tocopilla市提供了一个具有弹性和环保意识的供水基础设施。Hydranautics提供了定制的反渗透膜系统，以解决Tocopilla在确保可持续饮用水来源方面面临的具体挑战。SWC6-LD膜被用于满足海水淡化厂的需求，因为它具有高流量、较低能量需求和低盐透过率的独特组合。

Hydranautics确保Tocopilla可以高效、有效地将海水转化为安全、清洁的饮用水，该膜系统不仅促进了高产水量，还最小化了能源消耗，同时保持了低盐透过率，满足了Tocopilla对可持续供水的严格要求。 

     

这种膜技术使Tocopilla减少了对易受污染和环境恶化的地表水源的依赖，同时为满足社区现在和未来的需求提供了一种不受气候影响的水源。

               

NX Filtration的中空纤维纳滤

NX Filtration的中空纤维纳滤（HFNF）膜的设计是为了应对水处理过程中的污染挑战。

这些膜采用中空纤维结构，提供了无与伦比的抗污染能力，同时可以有效去除水中的有机物和盐度，减少了对大量预处理的需求。

HFNF膜的核心是一种专利的逐层沉积工艺，确保了精确的截留和通量特性，不受污染物质的影响。这种创新方法延长了膜的使用寿命，在面对污染挑战时可提供持续可靠的运行。

HFNF模块采用开放式、低污染的结构，不含垫片，简化了维护工作，并确保即使在最恶劣的条件下也能保持不间断运行。

与HFNF膜配合使用，NX Filtration还开发了一种Projection Tool，以提供有价值的关于污染动态的见解，使用户能够做出明智的决策并优化其水处理过程的性能。

NX Filtration支持其合作伙伴将其碳足迹最小化，并在全球30个国家实现了大量清洁水的生产。直接纳滤膜（dNF）技术已将NX Filtration定位为创新和增长的颠覆者。

其中一个值得注意的项目是其在瑞典的工作。NX Filtration为RecoLab项目提供了其纳滤膜，以有效回收赫尔辛堡的灰水、黑水和食物废物中的微污染物和营养物质。 

     

到目前为止，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，并且整个系统正在生产沼气和肥料，回收了80%的灰水。该项目有助于减少碳排放，增加可再生能源产量，实现养分和水资源的再利用。

杜邦的B-Free解决方案

杜邦的B-Free解决方案是经过数年研发的成果。该技术旨在解决反渗透系统中生物污染问题，当藻类和细菌等有机物聚集并阻碍系统性能时。B-Free不使用化学品，而是依赖于基于容器的介质技术，创造对这些生物生长不利的环境。这使其适用于饮用水和工业应用。

在水进入反渗透过程之前，它会经过B-Free系统，其中会创造一个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来防止生物污染的有害影响。这层生物层充当屏障，确保排放水即使在系统启动期间也保持生物静态。一旦这种生物层达到一定的临界质量，它将从系统顶部冲洗出去，而介质则保留供继续使用。

杜邦公司的这项技术在西班牙Masplomas海水淡化厂经过了由水务公司Elmasa进行的成功测试。在为期18个月的试验期间，公司表示B-Free证明了其完全消除生物污染的有效性。这使得试验工厂能够顺利运行，而不会遇到生物污染引起的问题。相比之下，平行运行的全规模工厂继续受到生物污染的负面影响。

               

未来 - 持续研究至关重要

这些进步仅代表了膜技术所提供的令人兴奋的可能性的一瞥。通过整合纳米技术、智能膜、仿生设计、增材制造和膜蒸馏等创新，研究人员在抵抗污染和有机物积聚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，正如皮尔斯所指出的，持续研究至关重要。随着这些技术的不断发展，我们可以期待在膜过滤领域取得更大突破，为各行业带来积极影响，并解决当今地球面临的一些最紧迫的挑战。