► 透明胞外聚合物颗粒（TEP）的含量随着Ca2+浓度的增加而增加。
► TEP的微观结构是影响比过滤阻力（SFR）的关键因素。
► XDLVO理论解释了不同多糖TEP粘附力的变化。
► 基于Flory-Huggins的理论合理解释了多糖物质奇异的膜污染行为。
有机物和二价阳离子是制约膜技术性能的主要障碍，而它们之间的相互作用及其影响的详细机制仍缺乏深入分析。本研究选择海藻酸钠和黄原胶作为多糖模型，以评估透明细胞外聚合物颗粒（TEP）的形成，从定性和定量的角度研究Ca2+和多糖类型对膜污染的影响。结果表明，高Ca2+浓度会使TEP的含量进一步增加，而TEP微观结构的转变是导致比过滤阻力（SFR）变化的关键因素。由海藻酸钠形成的TEP经历了从无定形TEP（a-TEP）形式到颗粒TEP（p-TEP）的转变，对应于SFR变化的单峰模式。随着Ca2+浓度的增加，黄原胶的分子相互作用变得更强，导致纤维状a-TEP增大，SFR持续增加。根据扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论，黄原胶形成的TEP表现出更高的粘附能力，从而导致更严重的膜污染。Flory-Huggins理论中描述的过滤过程中化学势变化的概念可以很好地解释TEP系统的SFR变化。本研究引入了关于化学势和TEP微观结构的模型，将系统化学势和TEP微观结构与SFR指示的膜污染联系起来，进一步加深了人们对多糖的膜污染行为的理解。
有机物和二价阳离子是制约膜技术性能的主要障碍，而多糖因其高分子量和凝胶特性而具有更高的污染倾向。根据先前的研究，多糖链相互作用形成的三维网络被确定为TEP，因此TEP可以作为预测多糖污染潜力和评估多糖交联程度的重要指标。海藻酸钠通常存在于膜系统的给水中，常被用作研究多糖相关膜污染的替代品，以评估TEP形成的潜力。黄原胶是另一种天然多糖，由于其胶凝特性与TEP具有相似性，被用作TEP含量的参考标准。由于分子量和分子结构的差异，这两种多糖在膜污染行为中表现出不同的趋势。鉴于上述信息，本研究选择了这两种典型的多糖作为模型污染物，研究了Ca2+浓度对不同多糖TEP形成和转化的影响，并评估了TEP形态转变引起的膜污染的潜在变化。
图1. (a) Ca2+浓度对多糖SFR的影响; (b) Ca2+浓度对多糖TEP形成的影响
研究发现，两种多糖的SFR随着Ca2+的加入呈现出不同的趋势。海藻酸钠的SFR曲线呈现单峰模型，而黄原胶的SFR曲线呈逐渐上升趋势。同时不同多糖形成的TEP随着Ca2+的加入而逐渐增加，这表明Ca2+的存在确实极大地促进了多糖链的交联。
图2. 不同Ca2+浓度下TEP的光学显微镜图像：(a) 海藻酸钠; (b)黄原胶（后缀1、2和3分别表示0、0.25和1.50 mM Ca2+）.
为了更深入地研究两种多糖的膜污染行为和机理，对TEP的形态结构进行了观察和分析。海藻酸钠形成的TEP经历了从无定形TEP（a-TEP）形式到颗粒TEP（p-TEP）的转变。而黄原胶形成的a-TEP进一步缠绕，呈现高度交联的纤维状结构。尽管不同多糖形成的TEP形态存在显著差异，但TEP的形态转变在一定程度上与SFR的转变相一致。进一步观察污泥的微观结构，在高Ca2+浓度下，海藻酸钠形成的TEP污染层表面呈现出明显的不均匀破裂状，这有助于水更容易渗透并有效减轻膜污染。对于黄原胶，TEP在膜表面形成光滑的凝胶层，导致严重的膜污染趋势。
图4. 不同Ca2+浓度下TEP和膜之间相互作用能的变化：(a) 海藻酸钠; (b)黄原胶（后缀1、2和3分别表示0、0.25、1.50 mM Ca2+）.
基于XDLVO理论的分析表明，a-TEP表现出比p-TEP更高的粘附能力，从而加速了污垢层的形成。此外，Flory-Huggins晶格理论的引入为两种多糖的SFR变化提供了令人满意的解释。p-TEP形成的滤饼层与渗滤液之间的化学势差较小，从而具有较低的SFR，而相反，a-TEP形成的稳定的凝胶层与渗滤液之间的化学势差较大，从而对应着更高的SFR。总之，这项工作通过TEP测定为分析不同多糖膜污染行为提供了新的视角，并通过热力学分析进一步加深了人们的理解。
谭淇尹：女，重庆万州人，导师为林红军教授。浙江师范大学地理与环境科学学院研二硕士生。研究方向为膜污染机理与控制，具有一定独立开展科研工作的能力，目前以第一作者在Science of the Total Environment期刊上发表论文1篇。
