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膜技术去除水与废水中微塑料的研究进展

2023-12-13

近年来，随着全球塑料污染问题日益严重，微塑料（microplastics-MPs）在水和废水中的存在成为了人们关注的焦点。传统的饮用水处理厂（DWTPs）和污水处理厂（WWTPs）不能完全去除饮用水和污水中的MPs，其出水仍含有MPs。微塑料的赋存与富集不仅对水体生态系统和生物多样性造成威胁，也可能对人类健康构成潜在风险。因此，寻找高效、环保的微塑料处理方法成为了当今学术和工程领域的一个紧迫任务。

膜分离技术是一种先进的水/废水处理技术，微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）、膜生物反应器（MBR）等膜技术在去除MPs方面表现出了优异性能。伊斯坦布尔大学的科学家全面综述了膜技术对MPs的去除概况。他们在IWA期刊《Water Science & Technology》上分享了其研究成果《A review of microplastic removal from water and wastewater by membrane technologies》，在文献研究的基础上指出了膜技术去除MPs的现状和研究不足，并对进一步的研究提出了建议。

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1、饮用水处理厂和污水处理厂中的微塑料

微塑料（MPs）是指直径小于5 mm的塑料微粒，它们常常来自于塑料制品的分解或者微细颗粒的塑料原料。这些MPs可以在环境中广泛分布，包括海洋、河流、湖泊、土壤和空气中。MPs具有持久性，难以降解，容易被生物吸收并进入食物链，因此其对环境和生物造成了潜在危害。目前，MPs已成为全球性的环境问题，引发了广泛关注和研究。关于MPs的来龙去脉，感兴趣的读者可以访问以下链接观看视频:


微塑料的来龙去脉 Microplastics Explained



MPs在DWTPs和WWTPs的进水中广泛存在，其浓度主要受城市人口密度、生活习惯、废弃物管理策略、交通密度和季节等因素的影响。目前，针对饮用水和废水中MPs含量6的标准分析方法尚未建立，主要由于在样本收集量、分析方法、设备的使用方式以及微塑料尺寸等方面存在差异。DWTPs和WWTPs进水中最常见的MPs是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚丙烯酰胺（PAM）等。图1为饮用水处理厂和污水处理厂进水中MPs的来源与性质。


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2、膜技术对微塑料的去除效率


传统的污水和饮用水处理工艺难以有效去除MPs，而膜技术则表现出较高的去除效率，可以作为改善水质的有效手段。表一总结了DWTPs/WWTPs进水中MPs的特性及MPs的去除率。在DWTPs和WWTPs处理中，MF膜对MPs去除率达81.5-100%；实验室研究数据显示其去除率达98.5%。有研究者指出，尽管膜孔径小于微塑料粒径，但MF膜并未达到100%的去除效率。这可能是由于MPs形貌尖锐，而膜强度较低，由此引发的膜磨损会导致MPs的逸出。UF膜的孔径通常界于1-100 nm，在1-10 bar的压力下工作。由于其孔径更小，UF膜在去除MPs方面优于MF膜。UF膜对MPs的去除率受膜材料特性、孔径、孔隙率、接触角、zeta电位和表面粗糙度等因素影响。未来的研究应侧重于综合比较不同MPs的聚合物类型在UF和MF膜中的性能，以更好地了解膜性能与MPs之间的相互作用，从而提高MPs的去除效率并减轻膜污染。NF膜孔径为1-10 nm之间，工作压力为5-15 bar之间，通常用于去除水和废水中的多价态盐和有机分子。与UF膜相比，它们具有更高的脱盐性能，比反渗透膜具有更高的通量性能。然而，高压通水要求限制了其广泛应用，增加了水处理的能耗。而对于NF膜去除MPs的研究仍然有限，其去除水和废水中MPs的效果有待进一步研究。RO膜在高压（20 bar）和致密孔隙（1 nm）下工作。尽管RO具有优异的处理能力，但存在MPs扩散现象。研究人员在RO渗透液中发现了纤维状和碎片状的MPs，表明该类物质可能由于其物理特性而穿过膜。未来研究应关注MPs在RO膜的渗透液中赋存机制。

MBR集生物处理和膜过滤于一体，构型分为浸没式和分置式，能够在短的水力停留时间和高的混合液悬浮固体浓度下运行。与活性污泥系统相比，MBR系统可以将活性污泥处理过程中不能有效沉降的MPs通过截留去除，去除效率更高。


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3、膜技术与其他技术去除微塑料的对比


混凝/絮凝、沉淀、浮选、砂滤、AOPs（高级氧化过程）与膜过滤是水/废水处理中常用于分离和去除微塑料的工艺，其去除MPs的效果可能受到MPs特性、混凝剂/絮凝剂类型和用量、操作条件以及水中其他污染物的并存等因素的影响。图2总结了从水和废水中去除MPs的常用方法的优缺点。


  • 混凝/絮凝通过添加絮凝剂促使微塑料颗粒聚集形成较大的絮凝体，以在后续处理过程被分离并去除。对较小尺寸的MPs的去除率通常比较大尺寸的MPs去除率更高。相反，膜处理在不需要化学物质的情况下实现高MPs去除效率，体现出相较于混凝/絮凝的优势。

  • 沉降法利用重金属盐等物质与微塑料颗粒结合沉淀，将微塑料从水中分离出来，可以有效去除高浓度的MPs，但低密度和小粒径的MPs不能有效沉降。相比之下，膜过滤可以去除各种尺寸的MPs，克服了物理沉淀的局限性。

  • 砂滤则是利用多层不同颗粒大小的砂层过滤的传统水处理方法，可有效去除大尺寸MPs，但对小尺寸MPs的去除率很低。膜过滤则利用MF膜或NF膜等过滤介质，其孔径比砂滤介质的孔径小得多。因此，砂过滤不能有效去除的水/废水中的小尺寸MPs可以通过膜过滤有效去除。

  • AOPs利用臭氧、过氧化氢、紫外光等能促进微塑料颗粒降解分解，从而实现对MPs的有效降解和去除。然而，该类过程需要长时间的暴露，去除效率较低，并且依赖于化学品、能源和催化剂。相比之下，膜技术可考虑MPs的性质，快速、高效地去除水中和废水中的不同MPs。


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4、微塑料从聚合膜向水/废水的释放


最近的研究表明，用于水和废水处理的高分子聚合物膜有可能会从自身结构中释放MPs。研究者发现，垃圾渗滤液中MPs的浓度在UF处理环节后逐渐下降，但在NF和RO环节后浓度上升。硝酸纤维素（NF和RO膜的材料）仅在NF和RO处理后的渗滤液中发现，表明MPs从膜结构中释放了出来。同样，研究者在对商业PVDF的UF中空纤维膜进行超纯水过滤时发现，水力冲击会导致MPs的释放，流出物中检测到55.1 MP/L，其中大部分是碎片（64%）和1-10 μm的颗粒（60%）。此外，膜暴露于清洗剂中也会改变其性能并导致微塑料的释放。这些发现说明对水处理中常用的不同高分子聚合物膜材料的MPs释放进行进一步研究非常有必要。虽然实验室规模的聚合物膜的生产和应用已经取得了显著效果，但缺乏对膜中MPs释放的研究。未来的研究可以集中在通过详细的膜表征手段并结合膜特性来评估MPs的释放。



5、微塑料对膜污染的影响


膜污染是膜处理过程中的主要挑战，由于污染物在膜表面聚积，导致孔隙堵塞和滤饼形成，从而引起膜通量下降以及对化学清洗需求的增加。研究表明，MPs可引起跨膜压差（TMP）上升，加剧膜污染。MPs的大小和浓度均会影响膜污染，MPs越小，膜污染越严重。需要对膜材料和操作条件进行深入研究，以减轻膜污染并保持对MPs的高去除率。在膜中掺入亲水纳米材料有望提高膜的防污性能，但对MPs过滤后的通量回收率（FRR）及后续清洗的研究尚缺乏。研究FRR与膜和MPs特性的关系有助于更具抵抗污染能力的膜的开发。此外，开发通过光催化降解从而具有自清洁能力的膜为减少膜清洗需求和提高处理效率提供了潜在的解决方案，但该类膜技术在去除MPs的应用方面仍待进一步探索。总的来说，探索去除MPs的自清洁膜有望实现更有效和更具成本效益的水处理。

6、小结


这项研究针对膜技术对微塑料的去除、微塑料从聚合膜向水/废水的释放等问题进行了全面且深入的讨论，对MPs去除以及膜技术领域做出了重要贡献。该项研究在强调膜技术作为更有效的MPs去除方法的同时，提出了未来针对膜材料的研究重点，为MPs去除技术的发展指明了方向。这篇综述着眼于解决实际问题，展望了未来的技术发展，为促进MPs去除的研究领域的发展提供了宝贵的参考和启发。



原文链接：https://iwaponline.com/wst/article/88/1/199/95676/A-review-of-microplastic-removal-from-water-and


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