用于冶金废酸处理的高渗透性耐酸纳米过滤膜：结构-性能关系及选择性分离机制

《Desalination and Water Treatment》：Highly permeable acid-resistant nanofiltration membranes for metallurgical spent acid treatment: Structure–performance relationships and selective separation mechanisms

本研究开发了一种高渗透性酸稳定纳滤膜（ASNF），其水通量为9.80 L·m?2·h?1·bar?1，对Mg2?的排斥率达98.32%。膜结构特征包括适度孔径（0.56 nm）、薄分离层（约2 nm）、强亲水性和多孔指状支撑结构。实验表明ASNF在20%硫酸、盐酸和磷酸中具有优异化学稳定性，30天性能损失小于5%。通过电化学排斥和竞争吸附机制，实现了渗透率与离子选择性的协同优化，解决了传统酸稳定纳滤膜通量低、成本高的问题。工业应用模块验证了其规模化潜力，设备成本降低75%以上。

　　酸性耐受纳米过滤（NF）膜在冶金废酸处理领域展现出巨大的应用潜力，但其实际应用常常受到水通量不足的限制。为了克服这一瓶颈，本研究系统地探讨了一种高通量、酸性稳定的NF膜（ASNF），重点分析其结构-性能关系、分离机制以及操作适用性。该膜不仅在水通量方面表现出色，而且在离子选择性上也优于现有的商业产品和文献报道的同类膜。此外，它在高浓度酸性环境下的化学稳定性得到了验证，表明其在实际工业应用中具有广阔前景。

水通量是评估NF膜性能的重要指标之一，直接影响到膜分离过程的效率和能耗。传统的酸性耐受NF膜通常具有较低的水通量，这限制了其在高酸浓度条件下的应用。ASNF膜通过优化其结构设计，实现了高达9.80 L·m?2·h?1·bar?1的水通量，这一数值显著高于现有的商业产品。这一优异的性能主要归因于其适中的孔径、较薄的选择性层、强亲水性和高度多孔的指状支撑层结构。其中，适中的孔径有助于提高水分子的通过能力，而较薄的选择性层则减少了水分子在膜表面的阻力，从而提升了通量。同时，膜的强亲水性使其在高酸性条件下仍能保持良好的水通量，避免了因膜表面疏水性而导致的渗透阻力增加。高度多孔的指状支撑层结构不仅提供了更大的支撑面积，还增强了膜的机械强度，使其在实际操作中更加稳定和耐用。

除了高水通量，ASNF膜在离子选择性方面也表现出色，特别是在镁氯化物（MgCl?）的截留率上超过了98%。这一结果突破了传统酸性耐受NF膜在离子截留与水通量之间的典型权衡关系。通常情况下，提高离子截留率会降低水通量，因为膜的选择性层会变得更厚或更致密，从而阻碍水分子的自由流动。然而，ASNF膜通过结合其高正表面电荷（在中性pH条件下约为10 mV）和适中的孔径，成功实现了高离子截留率与高水通量的协同提升。这种独特的结构设计使得膜在处理高浓度酸性废水时，能够有效分离目标离子，同时保持较高的水通量，从而降低了运行压力和能耗。

在实际应用中，膜的化学稳定性同样至关重要。ASNF膜在20%浓度的硫酸、盐酸和磷酸等酸性溶液中表现出良好的稳定性，经过30天的暴露测试后，其性能几乎没有明显下降。这一结果表明，该膜不仅能够在高酸性条件下保持结构完整性，还能在长时间运行中维持其分离效率。这种稳定性对于处理冶金废酸尤为重要，因为废酸中往往含有多种金属离子和杂质，膜的耐酸性能直接影响到处理过程的连续性和可靠性。此外，膜的抗污染能力也得到了验证，这使其在实际操作中更加耐用，减少了频繁更换膜的需要，降低了运行成本。

在不同的盐溶液中，ASNF膜的离子截留行为受到多种因素的影响。例如，在盐酸系统中，增强的静电排斥作用和共离子竞争效应显著提高了膜的阳离子选择性。盐酸中的H?离子与膜表面的正电荷产生静电排斥，从而降低了H?离子的透过率，同时其他阳离子（如Mg2?）则因共离子竞争而被有效截留。然而，在硫酸系统中，SO?2?离子可能因静电吸引作用而影响膜的阳离子选择性。这种离子间的相互作用使得膜在不同盐溶液中的性能存在差异，因此在实际应用中需要根据具体的处理对象和条件进行优化。

ASNF膜的性能不仅体现在其分离效率上，还体现在其经济性和可扩展性方面。通过将其制备为标准的1812型模块，该膜在低压力操作条件下展现出优异的离子选择性，特别是在锂渣浸出液的处理中表现出色。这种模块化设计使得膜在工业应用中更加灵活，能够适应不同的处理需求和规模。同时，由于其高通量特性，ASNF膜显著降低了运行压力，进而减少了设备成本和能耗。据统计，该膜的设备成本比传统膜降低了超过75%，这一优势使其在大规模工业应用中具有显著的经济价值。

在冶金废酸处理过程中，高盐度和高酸度的环境对膜的性能提出了更高的要求。传统的NF膜往往难以在这些条件下保持稳定的分离效果，而ASNF膜通过其独特的结构设计和材料选择，成功克服了这一难题。其高正表面电荷不仅增强了对阳离子的截留能力，还提高了膜的抗污染性能，使其在处理含有多种离子的复杂溶液时更加高效。此外，膜的高通量特性使其在低压力下即可实现高效的离子分离，从而降低了对泵和压缩机等设备的依赖，减少了运行成本。

在实验室和工业应用的结合方面，ASNF膜的性能得到了充分验证。通过使用模拟工业进料溶液进行测试，该膜的分离性能被证明是可靠的。同时，对运行能耗和经济优势的初步估算也表明，其在实际应用中具有显著的节能潜力。这些结果为ASNF膜在冶金废酸回收领域的广泛应用提供了坚实的理论和技术基础。随着环保法规的日益严格和资源回收需求的不断增长，高通量、高选择性的酸性耐受NF膜将成为冶金工业废水处理的重要工具。

此外，ASNF膜的开发还为未来NF膜的设计提供了新的思路。传统的膜材料往往在选择性和通量之间存在权衡，而ASNF膜通过优化其结构和表面电荷特性，实现了两者的协同提升。这种设计策略可以为其他类型的NF膜提供参考，尤其是在处理高浓度酸性废水和复杂离子混合溶液时。同时，该膜的制备方法也具有一定的可扩展性，为大规模生产提供了可能性。

从环境和经济角度来看，ASNF膜的应用有助于减少冶金工业对环境的污染。传统的酸性废水处理方法往往需要大量的化学试剂，这不仅增加了处理成本，还可能产生二次污染。而ASNF膜能够高效回收和再利用酸性物质，减少化学试剂的消耗，同时降低废水排放量，从而减轻对环境的压力。此外，该膜的高通量特性也使得处理过程更加高效，有助于提高资源回收率，促进可持续发展。

在实际操作中，ASNF膜的性能表现也值得关注。由于其高通量和良好的化学稳定性，该膜可以在较低的操作压力下运行，从而降低了设备的磨损和能耗。这种低能耗特性对于节能减排具有重要意义，尤其是在能源密集型的冶金工业中。同时，膜的抗污染能力也意味着其在长时间运行中能够保持较高的分离效率，减少了频繁清洗和更换膜的需要，进一步降低了运行成本。

总之，ASNF膜的开发和应用为冶金废酸处理提供了一种高效、经济且环保的新方法。其高水通量和优异的离子选择性不仅提高了处理效率，还降低了运行成本和能耗。同时，其良好的化学稳定性和抗污染能力也确保了其在复杂工业环境中的适用性。未来，随着膜材料和制备技术的不断进步，ASNF膜有望在更多领域得到应用，为资源回收和环境保护做出更大的贡献。