膜过滤
历史上，反渗透(RO)膜被设计用于去除海水中的盐分[82]。在接下来的几十年里，一系列用于各种用途的专用膜已经出现，包括纳滤膜，它被设计用于水软化剂[83]。如今，反渗透膜和纳滤膜被广泛应用于水处理，因为它们能够去除除盐以外的各种污染物，包括有害的微量有机物、病毒和溶解的有机物。Sedlak发现RO可以去除98%的NDMA前体[40,84]。然而，反渗透膜和纳滤膜并不总是能有效去除小的、中性的、亲水的化合物，如NDMA。RO和NF只能部分去除NDMA[3,39,40,84-87]。
多孔的微滤(MF)和超滤(UF)膜无法去除NDMA;然而，它们可以以中等效率(50%)排斥其前体[40]。
要通过RO和NF预测NDMA的保留，需要了解保留机制。尽管RO和NF的实际排斥机制很复杂，尚未完全理解，但已经确定了关键因素。这些因素可分为粒径排除、电荷排除和溶质-膜亲和性[88]，它们与溶质、膜、溶液(液体基质)和操作条件的性质有关[89,90]:
•溶质性质:分子质量(MW)或分子直径，酸解离常数(pKa)，极性和疏水性(logkow)。
•膜特性:分子量截止(MWCO)，表面电荷(zeta电位)和粗糙度。
•水化学:pH值，离子强度，溶质-溶质与其他物质的相互作用，特别是有机物质和胶体物质。
•工作条件:压力、流量和采收率。
•膜的污染状况。
有机化合物
有机化合物
图2使用溶质-基质膜相互作用方案预测NDMA去除率。摘自文献[89]。我们假设薄膜是带负电荷的。灰色方框突出显示了NDMA的情况。左边表示NF和“宽松”RO;右边表示“紧”RO。
图2使用溶质-基质膜相互作用方案预测NDMA去除率。摘自文献[89]。我们假设薄膜是带负电荷的。灰色方框突出显示了NDMA的情况。左边表示NF和“宽松”RO;右边表示“紧”RO。
图2显示了表明溶质-基质-膜相互作用及其对膜排斥有机物的影响的示意图。灰色路径是在废水处理和环境水中遇到的pH值下带负电荷的膜和NDMA的情况。根据不同的膜，NDMA比MWCO小或大。
尺寸排除取决于溶质的MW和化学结构，因为它与膜MWCO和/或孔径有关。MWCO被定义为超过90%的给定化合物被排斥的摩尔质量。用于MWCO测定的化合物通常是含水的糖或聚乙二醇溶液。然而，目前没有普遍接受的行业标准[91]，MWCO评级并不总是具有可比性。作为第一近似，任何大于MWCO的溶质都将被有效地拒绝。NDMA的MW为73 Da，小于纳滤膜的MWCO(通常为200 - 500 Da)。虽然反渗透膜通常被认为是无孔的(即，没有MWCO)，一些制造商报告他们的反渗透膜的MWCO约为100 Da (Koch膜公司2008年)。由于反渗透膜的MWCO(不存在到100 Da)比纳滤膜(200-500 Da)更接近NDMA的MW (73 Da)，因此紧密的反渗透膜比纳滤膜能更好地去除NDMA。
在保持其他性质不变的情况下，带更多电荷的化合物更容易被NF和RO所排斥。NDMA的pKa小于1[92]，这使得该胺类化合物在环境ph下不带电。因此，膜电荷对NDMA的排斥作用不起作用。
最后，由于NDMA的亲水性(logkow - - 0.57)，预计NDMA在膜上的吸附效果较差，而是停留在水相。由于这些原因，预计NDMA被纳滤膜排斥得很差，而被反渗透膜排斥得很差或中等程度，这取决于它们的“松散度”，即MWCO(图2)。
现有数据表明，反渗透膜和纳滤膜不能完全去除NDMA。表6总结了现场和实验室实验中膜去除NDMA的现有文献。数据表明，NDMA排斥值的范围很广(10-70%)，可能是由不同的膜-溶质-基质相互作用引起的。例如，Steinle-Darling在实验室研究中显示，由于膜污染和水化学，NDMA排异反应减少[87]。这与其他研究结果一致，这些研究表明，污染会减少对小的、不带电污染物的排异反应[96,97]。
迄今为止，关于纳滤膜对NDMA的排斥反应的发表数据很少。一个例子是Bellona等人的研究，他们确定了对Filmtec NF90[39,89]的排斥率为42-47% NDMA。NF90似乎是一个边缘案例，因为基于膜的盐排斥和表面化学[98]，NF90可以被归类为反渗透膜。
材料科学的进步，如膜涂层，显示出改善膜对NDMA的排斥的希望。例如，聚醚聚酰胺嵌段共聚物(PEBAX)涂层使LFC3和BW-30反渗透膜对NDMA的截除率分别提高了6%和15%，达到76%[87]。膜的进一步优化可能会提高小污染物的去除效率，并更依赖于膜技术去除有机物。
目前，可通过用高级氧化(UV)处理水或将其与含有较低NDMA含量的水混合来达到监管限值。
继续阅读:先进氧化技术在创新水处理中的作用
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