为什么在实际的纺织废水中，纳滤技术的处理效果会下降？有机物质的复杂性、盐度以及污染作用在其中起到了怎样的作用？

时间：2026年1月14日

来源：Desalination

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纳米过滤（NF）处理真实纺织废水时有机物脱除率显著低于实验室模拟系统。通过闭环研究框架（真实废水分析-模拟废水诊断-反馈验证），发现低浓度低分子量亲水性有机物易穿透NF膜，而复杂盐分（如Ca²⁺、Na⁺、Cl⁻、SO₄²⁻）通过静电屏蔽和膜膨胀效应削弱筛分与电荷分离机制。pH调节显示中性条件最稳定，碱性条件因膜肿胀和金属-有机相互作用导致假性脱除。该框架为膜筛选与工艺设计提供新方法。

海棠|齐瑶成|芮婷文|莎莎刘|浩浩曾|建全罗

安徽工程职业技术学院化学与环境工程学院，中国安徽省芜湖市，241000

摘要

纳滤（NF）被广泛认为是处理纺织废水的节能方法；然而，针对模拟废水的有机物质去除率往往大大高估了实际工业废水的处理效果。这种差异使得工艺设计变得复杂，并导致对纳滤性能的不切实际预期。本研究旨在揭示这种性能差距的根源，而非确定其长期操作极限。我们建立了一个闭环“实际废水分析-模拟废水诊断-反馈验证”框架，以分离有机成分、盐度和pH值对纳滤行为的影响。使用预处理的真实纺织废水，商用纳滤膜表现出中等的有机物质和盐分去除率（分别为53–71%和54–91%），远低于单一染料模拟系统的常见数值。化学分析表明，真实纺织废水主要由低分子量（200–500 Da）的亲水性有机物组成，这些有机物在低浓度下即可轻易透过纳滤膜。针对性的模拟实验证实，提高染料浓度、简化有机成分以及降低离子复杂性会通过聚集和污染引起的孔径缩小来人为提高去除率。pH值调节进一步表明，中性条件在内在去除率和抗污染性之间提供了最稳定的平衡，而在碱性条件下增加的去除率主要是由污染引起的，这归因于膜膨胀和金属-有机相互作用。通过阐明实验室规模纳滤评估为何高估有机物质去除率的原因，本研究提供了机制性见解，并提供了一个可转移的诊断框架，以更好地使膜筛选和工艺预期与实际废水条件相匹配。

引言

全球水危机和日益严格的环境法规迫使高耗水和高污染行业采用可持续的水资源管理策略。纺织业作为全球经济的支柱，约占工业废水排放总量的20% [1]，[2]，[3]。然而，纺织废水的特点是化学需氧量（COD）极高、色度强烈且盐度很高。其主要成分包括未反应的染料、助剂（如表面活性剂、分散剂）、反应副产物以及从织物上脱落的纤维。更严重的是，纺织废水中通常含有致癌和致畸的有机化合物（如芳香胺）以及有毒重金属，这对生态系统和人类健康构成重大风险。

目前，生物处理方法，特别是活性污泥工艺，仍是处理纺织废水的主要方法。不幸的是，由于存在顽固性和难生物降解的污染物，生物处理后的废水COD水平约为100 mg L⁻¹，盐度也较高，无法满足直接排放或高质量再利用的标准 [4]，[5]，[6]，[7]，[8]。为了实现废水回收，通常采用集成臭氧氧化-超滤-反渗透-电渗析等技术进行高级处理。然而，这些长流程工艺占地面积大、能耗高且化学需求大，限制了其在废水回收应用中的经济可行性 [9]。

膜分离技术，尤其是纳滤（NF），被广泛认为是强化纺织废水处理的关键技术 [10]，[11]。纳滤的操作压力远低于反渗透，因此在选择性分离方面具有明显的能量优势，这是其在低压膜工艺中不可替代性的关键因素 [12]。纳滤膜的分子量截留值（MWCO）通常在150–2000 Da范围内，能够有效截留大多数染料分子。理论上，这可以实现染料的有效去除，同时允许部分盐分通过，从而实现染料和盐分的有效分离。许多研究报道纳滤对合成废水的处理效果接近完美 [13]。例如，郝等人成功开发了一种新型松散纳滤膜，其渗透率为81.6 LMH·bar⁻¹，对50 mg·L⁻¹的罗丹明去除率达到97.2%，同时对1000 mg·L⁻¹的NaCl和Na₂SO₄的去除率低于10% [14]。然而，广泛的工程应用表明，纳滤膜在处理真实纺织废水时对有机化合物的去除率显著降低。我们之前的研究进一步证实了这一发现：即使经过预处理，纳滤对真实纺织废水的COD去除率通常也低于70%。这与大多数文献中报告的超过95%的去除率形成鲜明对比 [15]。

在此，我们假设真实纺织废水是一种极其复杂的混合物，含有从几百到几千Da范围内的有机化合物，以及高盐度和特定离子（如Ca²⁺、Na⁺、Cl⁻和SO₄²⁻ [16]，[17]。纳滤处理真实纺织废水效果不佳的主要原因是有机化合物的分子量较小、浓度较低，再加上复杂盐类的协同效应（如静电屏蔽、膜膨胀和离子强度增加），这些因素共同削弱了纳滤膜的尺寸筛选和电荷分离机制。因此，为系统解决上述问题，本研究采用了传统的孤立模拟研究方法之外的方法。需要强调的是，本研究提出了一个可转移的研究框架，而不仅仅是一个针对纺织行业的案例研究。为此，我们创新性地提出并实施了一个闭环研究策略：“实际废水分析 - 合成废水诊断 - 反馈验证”（图1）。我们专门设计和制备了一系列合成废水，以系统且可控地研究关键水质参数（如染料分子量、染料浓度、盐分浓度、多组分混合物和pH值）对纳滤去除率和膜污染行为的影响。最后，在真实废水系统中验证和完善了模拟系统中揭示的机制。

材料

硫酸（H₂SO₄）、氢氧化钙（Ca(OH)₂、氯化钠（NaCl）和碳酸钠（Na₂CO₃均购自中国上海的中药化工试剂公司，均为分析级。无水硫酸钠（Na₂SO₄购自中国上海的Aladdin公司，纯度为色谱级。聚合氯化铝（PAC，纯度：98%）和聚丙烯酰胺（PAM，纯度≥90%，阴离子型，分子量：5000 kDa）购自中国上海的Macklin公司。