由于高效分离和选择性输送的独特优势,超滤(ultrafiltration,UF)膜技术已经被广泛应用于水处理以获得清洁水。然而,膜污染问题始终阻碍了该工艺的扩大发展和应用。在不同的膜污染类型当中,由于成分的复杂性与官能团的多样性,有机污染被认为是影响最大的污染类型之一。因此,探索更深层次的有机膜污染机理及其影响因素和调控方法成为膜技术的重要研究方向。然而某些污染情形下单一的有机污染物对膜污染的影响并不具有足够的代表性。事实上,水体中广泛存在的二价金属阳离子(如钙和镁)通常会与有机污染物发生复杂的物理化学反应,并更深刻地影响膜污染行为。深入探讨其与有机污染物发生的复杂反应有利于进一步解析水处理中的膜污染行为并寻找合适的污染控制策略。本研究采用海藻酸钠(sodium alginate,SA)、牛血清蛋白(bovine serum albumin,BSA)和葡聚糖作为天然有机物(natural organic matter,NOM)、蛋白质和多糖的模型物质,探讨了在超滤过程中阳离子对NOM和蛋白质结垢的影响以及多糖的分子量对膜污染行为的影响。本文通过批次过滤实验,以比过滤阻力(Specific Filtration Resistance,SFR)和膜比通量评估膜selleck产品污染行为。然后基于一系列表征,以及Extended-Derjiaguin-Verwey-Overbeek(XDLVO)理论和Flory-Huggins晶格理论的热力学机制,并结合密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT),对典型有机膜污染行为的内在机制进行了深入和全面的阐释。主要研究结果如下:(1)以SA作为NOM的模型污染物质,深入探究了Mg~(2+)与其结合而引发的异常高SFR的膜污染行为以及Ca~(2+)的改善作用。实验结果表明,基于Flory-Huggins晶格理论描述的化学势差是Mg~(2+)引起严重膜污染的主要原因。DFT计算表明,SA和Mg~(2+)的结合倾向于配位两个末端羧Redox mediator基,这有利于在低剂量下拉伸海藻酸盐链并形成稳定的凝胶网络。此外,在高浓度Mg~(2+)下,难以发生分子内配位,因此保持了致密的凝胶网络结构。而投加高剂量的Ca~(2+)会导致稳定的SA-Mg~(2+)凝胶网络向絮凝和聚集的构型转变,从而显著降低SFR。(2)以BSA作为蛋白质的模型污染物质,评估了Mg~(2+)对BSA膜污染行为的影响。实验结果表明,Mg~(2+)可以显著缓解蛋白质污染,且存在最佳Mg~(2+)投加量,可以使污染降到最低。一系列表征表明,BSA粘附能力的变化以及污垢层厚度与结构的改变是导致BSA的SFR不同的直接原因。其机制归咎于Mg~(2+)引起的水合排斥作用,阻止了污染物在膜上的紧密NSC 119875溶解度粘附。此外,在1 m M Mg~(2+)时,BSA的SFR最低,不仅与水化排斥作用有关,还与BSA分子构象变化有关,这导致了颗粒尺寸的压缩和BSA截留率的降低。这项研究深入解析了Mg~(2+)对蛋白质污染的具体影响,为UF过程中蛋白质污染的控制提供了新的思路。(3)以葡聚糖作为多糖的模型物质,研究多糖的分子量对超滤膜污染行为的影响及其机制。结果表明,不同分子量葡聚糖污染倾向排序为中等分子量(40 k Da)<低分子量(2 k Da)<高分子量(500 k Da)。一系列表征结果以及结合衰减全反射傅里叶变换红外光谱(attenuated total reflectance fourier transform infrared spectroscopy,ART-FTIR)可知,不同的污染倾向与表面电荷、粒径和分子构型有着密切的关系。特别是在分子量为40 k Da得到最低过滤阻力主要归咎于分子间强烈的静电排斥以及分子构型的转变,这导致了葡聚糖分子尺寸的压缩和葡聚糖截留率的降低。而滤饼层效应是高分子量(500 k Da)葡聚糖的主要污染机理。