疏水膜在溶解性一氧化二氮气液分离过程中的生物污染行为机制研究

为解决疏水膜在脱氮反应器溶解性N2O分离过程中的生物污染问题，西安建筑科技大学团队通过SEM、CLSM和AFM技术揭示了蛋白质（PN）优先吸附形成层状污染层的机制，发现PN-膜黏附力（96.97 nN）远高于PS-膜作用力，阐明了微生物与胞外聚合物（EPS）协同加剧膜污染的动态过程，为提升温室气体富集效率提供了新见解。

　　

随着全球气候变化加剧，控制强效温室气体一氧化二氮（N₂O）排放成为紧迫课题。这种气体的温室效应是二氧化碳的265倍，但有趣的是，它同时具备作为火箭推进剂和能源载体的潜力。污水处理厂是人为N₂O排放的主要来源之一，而CANDO工艺可将65-80%的氮转化为N₂O。如何高效富集这种"亦敌亦友"的气体？疏水膜分离技术曾展现巨大潜力，但膜污染导致的性能衰减成为瓶颈。西安建筑科技大学环境与市政工程学院的研究团队在《Journal of Water Process Engineering》发表论文，首次揭示了疏水膜在N₂O分离过程中的生物污染行为机制。

研究人员采用扫描电镜（SEM）、共聚焦激光显微镜（CLSM）和原子力显微镜（AFM）等技术，系统分析了脱氮培养物及其组分对聚四氟乙烯（PTFE）膜的污染行为。通过比较死细胞、EPS、PN、PS等不同组分的污染效应，结合膜表面污染物空间分布动态观测和分子间作用力定量检测，构建了完整的污染演化模型。

Effect of membrane fouling on dissolved N₂O separation performance
实验显示初始N₂O膜通量为0.21 mmol?m^?2?s^?1，分离效率达90%。PS和死细胞仅使通量下降0.02 mmol?m^?2?s^?1，而完整培养物导致通量骤降至0.08 mmol?m^?2?s^?1，证实微生物与EPS的协同作用是性能衰退的主因。

PTFE membrane biofouling mechanism
SEM观察到EPS早于微生物在膜表面形成污染层。CLSM三维重建显示PN首先形成片层结构（厚度约15 μm），随后细菌在其表面聚集。AFM定量检测揭示PN-膜黏附力高达96.97 nN，而PS-膜作用力未检出，直接证明PN是初期污染的关键介质。微生物-PS黏附力达74.23 nN，解释了后期PS累积的机制。

这项研究创新性地提出疏水膜污染的三阶段模型：PN优先吸附形成基质层→微生物定植→PS协同强化污染。该发现不仅为膜污染防控提供了精准靶点（如PN抑制剂开发），更对实现污水处理过程中温室气体减排与能源回收的双重目标具有重要指导意义。研究建立的AFM分子作用力分析方法，为其他膜分离系统的污染机制研究提供了新范式。