反渗透系统硅垢形成机理及控制策略研究

The water recovery rate is a key indicator for reverse osmosis (RO) membrane technology, especially for achieving extensive application and zero liquid discharge. Silica scaling, as the most challenging issue, has severely restricted the increase of water recovery rate and separation efficiency in RO system. This project is aiming to analysis the formation mechanism and control strategies of silica scaling in RO system from silica polymerization and interaction mechanism between silica and membrane surface. On one hand, silica stabilizer would be designed and investigated. Their silica stabilizing mechanism would be clarified from the functional groups, specific surface areas and porosity. On the other hand, we will reveal the formation mechanism and influencing factors of silica scaling on membrane surface, and clarify the relationship between the physicochemical properties of membrane surfaces and the silica scaling structure as well as permeate flux decline. Then, the design guidelines will be proposed for fabricating anti-silica scaling composite RO membranes. This project will not only establish the basis for attaining zero liquid discharge of RO technology, but also provide important reference value for developing efficient desilication technologies and solving silica scaling problems in other industries.

产水回收率是反渗透技术规模化应用及实现零排放的重要指标。硅垢是反渗透系统最难控制的垢型，严重制约着产水回收率和处理效率的提高。本项目拟从二氧化硅聚合理论和二氧化硅与膜表面作用机理出发，解析反渗透系统硅垢的形成机理和控制策略。一方面，阐明二氧化硅稳定剂的结构设计原则和合成机制，探明官能团、比表面积和孔隙率对二氧化硅稳定性能的影响。另一方面，揭示硅垢在膜表面的产生机制和影响因素，明确反渗透膜表面物理化学性质与硅垢结构以及膜渗透通量衰减程度的相应关系，建立抗硅垢反渗透复合膜的结构设计准则，进而研制高性能的抗硅垢反渗透复合膜。本项目将不仅为反渗透膜技术实现零排放奠定基础，还将为高效除硅技术的开发以及其他行业的硅垢问题提供重要的参考价值。

反渗透系统的硅垢和污染问题严重缩短反渗透膜的使用寿命，增加系统能耗和维护费用，成为反渗透技术面临的主要瓶颈。抗硅垢抗污染反渗透膜的研制和绿色阻垢剂的开发是具有应用前景的解决策略。本项目研究重点在于反渗透系统硅垢的形成机理及控制策略。首先，项目研究反渗透系统操作条件（料液温度、错流流量、操作压力）对膜表面硅垢形成速率的影响，通过在线监测渗透通量下降和观测膜表面形貌变化发现，较高料液温度、较低错流流量和较高操作压力会加速硅垢在膜表面的形成和聚合。进而，项目深入发掘硅垢在膜表面的形成机理以及膜表面性质与抗硅垢抗污染性能之间的关系，发现光滑、亲水、荷强负电的膜表面性质有利于同步实现反渗透膜的抗硅垢和抗有机污染性能。在此基础上，项目研究通过层层自组装法在商品反渗透膜表面形成植酸和三价铁离子螯合功能层，制备出多层植酸功能化反渗透膜；通过小分子界面聚合后接枝法成功将L-O-磷酸丝氨酸、阿仑膦酸钠和3-氨基丙烷磺酸固定在初生反渗透膜表面，制备出磷酸功能化和磺酸功能化反渗透膜；通过共单体界面聚合法将2,2'-联苯胺二磺酸和2,5-二氨基苯磺酸作为水相共单体制备出磺酸功能化的聚酰胺反渗透膜。经过渗透选择性能评价，改性膜的渗透通量为3.7~4.3 L.m-2.h-2.bar-1，NaCl脱盐率均达到98%以上；24小时连续抗硅垢实验结果表明，未改性反渗透膜通量下降幅度达30%，改性膜通量下降幅度仅8%~19%；24小时连续抗硅垢-牛血清蛋白（腐殖酸）混合污染实验结果表明，未改性反渗透膜通量下降幅度达60%，且清洗后通量恢复率仅为55%，改性膜通量下降幅度小于30%，且清洗后通量恢复率达79%，这说明改性膜具有良好的抗硅垢-有机混合污染性能。进一步地，项目设计合成具有良好吸附性能的磁性金属有机骨架材料，实现对硅酸分子去除效率达80%以上，有效缓解系统中硅垢的形成和聚合，阻垢性能优于常用商业阻垢剂。总之，项目研究开发出一系列抗硅垢抗污染反渗透膜和高性能阻垢剂，为反渗透膜技术实现废水零排放奠定技术基础。