本文首次使用一个中试规模的纳滤/反渗透膜系统对来自坦桑尼亚北部埃斯拉莱 (Eslalei) 具有高锶含量 (10.3 mg/L) 和天然有机质含量 (70.9 mg/L) 的天然地下水水样进行处理，探讨了不同的操作压力 (10-15 bar) 和pH值 (3-12) 对膜过滤系统出水效率和锶、有机物去除率的影响，并对锶-有机质的相互作用进行了初步研究。
实验过程
纳滤/反渗透膜过滤系统如图1所示，是一个三级单流系统，由三个2.5英寸的卷式膜组成。本研究中的纳滤膜选择的是科氏的TFC-SR2-2540膜，反渗透膜有两种，一种是科氏公司的TFC-ULP-2540膜，另一种是通用电器Osmonics公司的Desal AG-2540膜 (原文有详细的膜特性信息)。水样地点位于坦桑尼亚北部曼达拉湖附近的水井（如图2所示）。该地下水样有较高浓度的锶离子 (1.2-10.4 mg/L)，高浓度的年代久远的天然有机质 (总有机碳为46.6-107 mg/L) 和高浓度总溶解固体 (7170-14250 mg/L)，不经处理根本无法饮用。
图1. 三级单流膜过滤系统图与过滤示意图。
图2. 天然地下水水样的取样点。
膜过滤实验分为两组，一组探究不同的操作压力 (10-15 bar) 对纳滤/反渗透膜的膜通量、锶离子和有机物去除率的影响(pH值维持原水样pH值9)；另一组探究不同的地下水pH值 (3-12) 对膜通量、锶离子和有机物去除率的影响 (操作压力控制在10 bar左右)。进水和出水水样中锶离子浓度由电感耦合等离子体-质谱仪 (ICP-MS) 测定，而有机物含量由总有机碳仪 (TOC Analyzer) 测定。本研究还利用水化学平衡模拟软件Visual MINTEQ.对进水水样中的锶的种类成分进行了分析，并利用液相色谱-有机碳检测仪 (LC-OCD) 对地下水样的有机物组分进行了测量和分析。
实验结果
在本实验条件下，反渗透膜的锶离子和有机物去除率达98%以上，而TFC-SR2纳滤膜的锶离子去除率达50%-70%和有机物去除率达90%以上。TFC-ULP膜有较高的膜通量和锶离子去除率，而Desal AG膜具有较高的有机物去除率。随着操作压力的增加 (从10 bar增加到15 bar)，不仅膜通量随之增加 (因为驱动力的增加)，而且锶离子和有机物的去除率也随之增加，可能是由于压力增加导致的稀释效应 (水通量随压力的增加大于污染物通量的增加)。通过对地下水样的有机物组成成分的分析，发现该水样总存在20%左右的低分子量有机质 (如图3所示)，这部分有机质很有可能可以透过纳滤/反渗透膜或者扩散到出水端，导致了低于100%的有机物去除率。pH实验发现碱性条件下导致了膜通量的急剧减少，锶离子浓度稍微增强单有机物去除率减少。在酸性条件下TFC-SR2纳滤膜的锶离子去除率增强。酸性或中性条件下有机物的去除率得到提升。
图3. 该天然地下水水样的有机物组分分析结果。
该研究表明，适当提高操作压力和酸性条件下有助于提高纳滤/反渗透膜对锶离子的去除率。当然该操作压力具体取决于进水水质，膜的选择，出水标准和系统设计。因此，应在不同的操作压力下对特定进水水质进行中试过滤实验，以确定合适的操作压力。锶离子和有机物的相互作用对锶离子去除率的影响值得进一步的研究。
期刊简介
Membranes (ISSN 2077-0375; IF3.094) 是MDPI组织出版的国际型开放获取期刊，出版与膜科学相关基础理论和应用方面的科技论文。期刊研究范围涵盖非生物膜和生物膜科学和技术，包括膜动力学，膜的制备和表征及其在化工、环境、能源、医学和食品工业中的应用等方向，包括膜化学、物理、工程和生物学等研究领域。目前期刊已被SCIE、Scopus、Ei Compendex、SciFinder和Polymer Library等数据库收录。Membranes采取单盲同行评审，一审周期约为11.5天，文章从接收到发表上线仅需2.7天。
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