随着全球淡水资源的日益短缺，膜技术因其高效、环保的特点，被誉为21世纪水处理领域的“明星技术”。然而，膜污染问题长期制约其大规模应用。近期，浙江师范大学联合大连理工大学的研究团队在《环境科学与工程前沿》发表综述文章，系统揭示了膜污染的热力学机制，为开发抗污染膜材料和优化水处理工艺提供了全新视角。这一研究成果不仅填补了理论空白，更让膜污染的预测与控制迈入新阶段。

膜污染：水处理技术的“阿喀琉斯之踵”

膜技术通过物理筛分原理高效分离污染物，但运行过程中污染物（如有机物、微生物、无机盐等）会附着于膜表面或堵塞膜孔，导致过滤阻力激增、能耗上升、膜寿命缩短。据统计，膜污染造成的运营成本可占水处理总成本的30%-40%。论文指出，膜污染的核心在于两大关键过程：污染物的附着与污染层的过滤。

传统研究多关注流体力学因素（如流速、压力），但热力学分析揭示了更深层的能量变化机制。例如，污染物与膜表面的附着并非随机，而是受范德华力、静电排斥、酸碱作用等热力学相互作用的支配；而凝胶层（一种致密的高分子污染物层）的过滤阻力高达传统滤饼层的数百倍，其本质源于化学势差和聚合物网络的弹性阻力。

热力学理论破解附着与过滤之谜

研究团队通过XDLVO理论量化了污染物与膜表面的相互作用。该理论将作用力分解为范德华力（LW）、双电层力（EL）和酸碱力（AB）。实验发现，酸碱力通常是主导因素，尤其在含丰富官能团的污染物（如蛋白质、多糖）中表现显著。例如，膜表面粗糙度增加会改变作用力的空间分布，形成“排斥能垒”，从而影响污染物的附着趋势。

更突破性的进展在于凝胶层过滤机制的解析。传统卡曼-科泽尼方程（Carman-Kozeny）难以解释凝胶层极高的过滤阻力（达10¹⁷ m/kg）。研究团队引入Flory-Huggins晶格理论，发现凝胶层内水分子的化学势远低于渗透侧，需额外压力克服这一势差。此外，凝胶的弹性形变和氢键网络进一步加剧了阻力。例如，低温会增强氢键作用，使凝胶结构更致密，导致过滤阻力显著升高。

从理论到应用：定制抗污染膜与优化工艺

基于热力学机制，科学家提出多项创新策略：

1. 膜材料设计：通过调控膜表面电荷、亲疏水性或粗糙度，减少污染物附着。例如，亲水膜表面可形成水分子屏障，阻碍污染物接触。
2. 溶液化学调控：调整pH值、离子强度或添加高价阳离子（如Ca²⁺、Al³⁺），改变污染物聚集状态。实验表明，适量Al³⁺可使海藻酸分子伸展，形成均匀凝胶，但过量会导致凝胶坍塌为絮体，降低过滤阻力。
3. 工艺优化：控制临界通量（Critical Flux）和曝气强度，平衡过滤效率与污染风险。

研究还指出，人工智能与机器学习有望加速热力学模型的优化，推动膜材料的智能化设计。

未来展望：挑战与机遇并存

尽管成果显著，膜污染热力学研究仍面临挑战：

• 复杂污染物的形态构建：实际污染物（如透明外聚物颗粒TEP）形状多样，现有模型难以全面覆盖。
• 多因素耦合机制：温度、pH、离子种类对化学势的影响尚未完全量化。
• 技术转化瓶颈：热力学模型的复杂计算需开发用户友好型软件。

论文通讯作者林红军教授表示：“热力学视角让膜污染从‘经验应对’转向‘机制调控’。未来，我们将探索更普适的模型，覆盖更多污染物类型，并推动这些理论在海水淡化、工业废水回用等场景的落地。”

结语

膜技术的革新关乎全球水资源可持续利用。中国科学家在热力学机制上的突破，不仅为膜污染控制提供了理论基石，更彰显了基础研究对工程应用的深远意义。随着抗污染膜材料的研发与智能水处理工艺的推广，高效、低成本的“下一代膜技术”或将加速到来，为解决全球水危机注入强劲动力。

来源: FESE Message