纳滤去除饮用水中PFOS新型污染物的效能及微观作用机制研究

How to remove efficiently perfluorooctane sulfonate (PFOS) as one of the new persistent organic pollutants from drinking water has been the research focus and new task of the environment and membrane research. But no report has been found so far about PFOS removal from drinking water by nanofiltration (NF) membrane process. It is scarce to know that macro separation performance under different operating conditions, the micro function mechanism of PFOS with other coexistence ions and membrane surface from micro and dynamic perspective. The objective of this research is to study PFOS removal by NF membrane from macro and micro methods. The research contents include macro separation efficiency and technological parameter optimization by changing different experimental operating conditions;the molecular and electronic structure of PFOS molecule by counterion-bridging effects interacted with Ca2+, Mg2+, Pb2+ and Cd2+ ions by density functional theory (DFT) calculation; membrane interface fluid flow characteristics, pollutant change of adsorption, sedimentary in the membrane surface. The research results would clarify interface function mechanism of PFOS-other coexistence ions, PFOS-membrane, optimize separation parameters of NF process. The research results one hand would provide an effective control method of PFOS and the scientific basis and theoretical basis for establishing the security of drinking water, on the other hand promote the nanofiltration membrane application in rising environment research.

饮用水中新出现的一类持久性有机污染物-全氟辛烷磺酸 (PFOS)如何安全有效去除已成为国内外环境、膜分离领域的研究前沿和新课题。但目前应用纳滤膜技术去除饮用水中PFOS的研究还未见报道，纳滤对其宏观分离效果，PFOS-共存离子、PFOS-膜的微观作用机制等过程了解几乎空白。本项目系统研究纳滤膜去除饮用水中PFOS的宏观分离效能及工艺参数优化；从分子水平角度应用密度泛函理论计算PFOS-Ca2+、Mg2+、Pb2+、Cd2+离子相互作用，获得分子的几何结构、电子结构特征参数；从动力学角度研究膜界面流体的流动特性、污染物在膜表面的吸附、沉积过程等。结合微观和宏观研究手段，阐明PFOS-共存离子、PFOS-膜之间的相互耦合特性及其微观作用机制，优化纳滤膜分离过程工艺参数。本项目不仅为PFOS的去除提供一种有效的方法，建立饮用水安全保障体系提供科学依据和基础，而且可拓宽膜技术在环境领域中的应用。

如何安全有效去除饮用水中新出现的一类持久性有机污染物—全氟辛烷磺酸 (PFOS)已成为国内外环境、膜分离领域的研究前沿和新课题。本项目采用纳滤膜分离技术开展了对PFOS的去除效果研究，系统深入地研究了不同纳滤膜材料、操作条件、进水水质等因素对PFOS去除效果和膜污染的影响。结果表明NF270对PFOS具有较高的截留率（0.8 MPa压力下94.41%），通量适宜（0.8 MPa压力下137 L/m2h）；通过研究压力、pH值、PFOS初始浓度、腐殖酸共存等不同操作条件对PFOS截留率及膜通量的变化，得出PFOS的截留率随着pH、PFOS初始浓度、腐殖酸浓度、压力的升高而升高，在pH=7、压力为1 MPa下，当腐殖酸浓度为20 mg/L时，PFOS的截留率最高可达到98.37%，纳滤膜对PFOS的去除主要是筛分作用和电荷作用；同时考察了Na+、Ca2+等不同电解质存在对PFOS的去除效果影响，发现二价盐对截留率提高的贡献率要大于一价盐，同时采用SEM、AFM等对膜表面性质进行了分析表征，结果表明钙离子对PFOS截留率的影响主要因为PFOS会与钙离子发生络合而使体积增大，进一步从分子水平角度应用密度泛函理论计算了PFOS-Ca2+离子相互作用，阐明了截留率升高的原因主要是筛分作用；Ca2+与腐殖酸共存时截留率有一定提高（99.25%），但膜污染加重，膜通量急剧降低。同时从动力学角度应用PIV实时在线观测了不同进料体系下膜界面流体的流动特性，获得了相关动力学参数。本项目研究为PFOS的去除提供了一种有效的方法，为建立饮用水安全保障体系提供了科学依据和基础。