表征在瞬态施加压力下污垢层（foulant layer）的渗透性

《Journal of Membrane Science》：Characterizing the permeability of a foulant layer under a transient applied pressure

压力驱动的膜过滤系统中，软质多孔污染层的动态渗透率行为及压力波形优化效果研究。通过微流控纳米过滤系统施加压力步和波形，发现污染层在压力突变时呈现瞬态渗透率变化，并存在压缩与膨胀不同时间尺度。压力波形非线性响应导致渗透率调控，正斜坡波形在32秒周期下实现24.2%的过滤性能提升。研究揭示了动态压力处理通过周期性压缩-膨胀耦合效应优化水处理过程。

　　在膜过滤技术中，压力驱动的膜过滤系统通常以恒定压力运行。然而，当膜表面沉积了聚合物污染物时，会导致渗透通量的下降。如果不再有新的污染物沉积，这些聚合物层通常会在渗透流的作用下发生压缩，从而形成稳定的水力阻力，并使得渗透通量低于干净膜的状态。尽管如此，软质、可变形多孔层的瞬态渗透特性仍然缺乏系统的研究。本研究通过定制的微流控纳米过滤系统，对多孔可变形薄膜在压力阶跃和压力波形下的瞬态行为进行了实验探究，揭示了其渗透特性的变化规律，并提出了可能的应用前景。

在水处理和膜技术领域，膜表面的有机分子排斥会形成多孔滤饼层，这种层不仅增加了水力阻力，还提高了运行成本。滤饼层是一种典型的软质可变形多孔材料，其厚度会根据渗透流带来的应力而动态变化。软质可变形多孔材料的力学行为在多个学科领域具有重要意义，包括自然和工程系统，其应用范围涵盖了化学工程、水处理、食品工程、生物技术以及土壤力学等。此外，当滤饼层发生压缩时，其孔隙率会降低，进一步增加水力阻力，这使得该类材料的动态行为更加复杂。

在软质多孔材料中，流体诱导的压缩和膨胀是两种不同的过程，它们的松弛时间也存在差异。一些研究表明，压缩通常比膨胀更快发生。当这些材料暴露于正弦波形的压力变化时，其渗透流可能表现出与施加压力相关的频率依赖性变化。然而，对于这些动态状态下的瞬态渗透特性，目前的研究仍较为有限。以往关于跨膜压脉冲的研究表明，通过保持恒定的跨膜压并施加短暂的负压脉冲，可以提高平均的过滤性能。这一技术利用了浓度极化阻力的瞬态发展，为高频反向脉冲提供了可能性。反向脉冲不仅可以消散浓度极化，还能防止污染物在膜表面堆积。

为了进一步探讨这一现象，我们假设在正压范围内调整跨膜压（TMP）也能够影响瞬态渗透性，尤其是在膜表面沉积了带有净电荷的聚合物污染物的情况下。在这种情况下，除了对浓度极化的影响外，聚合物污染物还会在压力变化时经历压缩和膨胀的循环。这种动态变化可能为提高过滤效率提供新的思路。

本研究通过微流控系统对软质多孔材料的瞬态渗透特性进行了深入分析。实验中采用的模型污染物为钙藻酸，它在膜表面形成了一层水凝胶。实验中使用了一种纳米过滤膜（NF270，杜邦公司），其有效过滤面积为2.16 cm2。实验过程中，首先将藻酸钠溶解在去离子水中，浓度为25 g/L，并在摇床中搅拌过夜以确保完全溶解。在实验开始时，将0.6 mL的溶液直接注入过滤单元的进料通道中，随后在1 bar的压力下运行30分钟，以形成均匀的污染层。由于该污染物是一种离子交联的藻酸层，为了避免在沉积过程中与钙离子形成不可逆的交联，实验中采取了特定的步骤来确保其均匀分布。一旦污染层形成，去离子水被替换为含有钙离子的溶液，以形成最终的钙藻酸层。

在实验设计中，我们进行了两种类型的实验：压力阶跃实验和周期性压力实验。在压力阶跃实验中，通过逐步增加压力，观察系统在压力变化后的瞬态响应。压力释放后，系统会经历不同的恢复过程。我们发现，压力增加时的渗透体积显著高于压力释放时的渗透体积，这表明压缩和膨胀过程具有不同的动力学特性。同时，随着压力的增加，压缩过程的松弛时间逐渐缩短，而膨胀过程的松弛时间则相应延长。这种不对称性可能源于压缩和膨胀过程的物理机制不同，压缩通常由渗透流引起的机械应力驱动，而膨胀则与渗透层与周围流体之间的渗透压差有关。

在周期性压力实验中，我们测试了三种不同的压力波形：正弦波、正向斜坡波和负向斜坡波。对于每种波形，我们分别采用了500、1000、1500和2000 mBar的压力幅度。实验结果显示，不同压力波形对渗透特性的影响显著不同。正弦波形下的渗透曲线表现出明显的滞后效应，这表明材料在压力变化时的响应存在时间延迟。正向斜坡波形在达到最大压力值后会突然下降，导致渗透曲线出现不连续点。相比之下，负向斜坡波形在压力上升阶段表现出较高的渗透速率，但随后的渗透速率下降较快。这种现象可能与材料在压力变化时的动态响应有关，尤其是在压力变化速度较快的情况下。

尽管负向斜坡波形在某些条件下能够达到较高的渗透速率，但并不一定意味着更好的过滤性能。因为压力波对过滤性能的影响并非简单地由渗透速率决定，而是受到渗透和流体诱导压缩之间的耦合作用。例如，较高的渗透速率可能会加速滤饼层的压缩，从而降低其渗透能力。因此，需要进一步分析不同压力波形对过滤性能的综合影响。

在评估过滤性能时，我们比较了动态压力和静态压力条件下的总渗透体积。结果显示，在相同的压力幅度下，动态压力条件下的总渗透体积通常低于静态压力条件。然而，当压力波形的周期较短时，某些波形（如正向斜坡波）能够显著提高过滤性能。例如，在500 mBar和64秒周期的正向斜坡波形下，过滤性能比静态压力提高了2.8%。而在32秒周期下，过滤性能进一步提升至24.2%。这表明，通过优化压力波形的参数，可以有效提高过滤效率。

此外，研究还发现，不同压力波形对渗透特性的影响存在差异。正弦波形在压力增加阶段表现出最高的渗透速率，但在压力释放阶段的渗透速率下降较快。这可能是因为正弦波形的压力变化较为平缓，使得材料在压力释放时的恢复过程更加缓慢。而正向斜坡波形则在压力上升阶段表现出较高的渗透速率，但随后的渗透速率下降较快。这种现象可能与材料在压力变化时的非线性响应有关。

综上所述，本研究揭示了软质多孔层在压力变化下的瞬态渗透特性，并探讨了不同压力波形对过滤性能的影响。通过实验，我们发现压力变化不仅影响渗透速率，还可能改变材料的结构特性，从而影响其长期性能。未来的研究可以进一步探讨这些动态行为的机制，以及如何通过优化压力波形来提高膜过滤系统的效率。此外，本研究的结果可能对生物系统中的类似现象提供参考，例如在涉及半渗透膜和黏液层的系统中，压力变化也可能对渗透特性产生重要影响。