美國(guó)普萊恩維尤A&M大學(xué)能源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展中心研究團(tuán)隊(duì)在《膜科學(xué)與技術(shù)前沿》發(fā)表成果，展示了一種利用磁性橡木生物炭進(jìn)行預(yù)處理，隨后結(jié)合空氣間隙膜蒸餾（AGMD）處理富磷酸鹽市政污水的新工藝。

該工藝的核心在于一種名為Fe3O4/BC的復(fù)合材料。研究人員將橡木屑在105℃干燥后，于低氧環(huán)境中400℃熱解1小時(shí)制成生物炭（產(chǎn)率約62%）。其多孔結(jié)構(gòu)富含羥基、羧基等官能團(tuán)。隨后通過共沉淀法將磁鐵礦（Fe3O4）納米顆粒負(fù)載于生物炭骨架上，Zui終復(fù)合材料磁鐵礦負(fù)載量達(dá)17.3%，晶粒平均尺寸約24納米。

在混凝階段，磁鐵礦的正電荷位點(diǎn)中和污水中帶負(fù)電的膠體顆粒，生物炭孔隙則吸附溶解態(tài)與膠態(tài)污染物。投加量為2.5克/升時(shí)，該材料可將磷酸鹽濃度從18.4毫克/升至1.1毫克/升（去除率94%），濁度降低77%，總懸浮固體下降70%，化學(xué)需氧量下降約42%。由于鈉、鉀等離子無法被吸附，總?cè)芙夤腆w僅下降約20%，這恰好為后續(xù)膜蒸餾步驟留出處理空間。反應(yīng)后的磁性污泥可通過外加磁場(chǎng)快速分離回收。

預(yù)處理出水進(jìn)入空氣間隙膜蒸餾單元。研究對(duì)比了親水性聚醚砜（PES）膜與疏水性聚四氟乙烯（PTFE）膜（孔徑均為0.1微米），運(yùn)行條件為進(jìn)料70℃、冷卻液27.3℃、橫流2升/分鐘。未預(yù)處理時(shí)，PES膜初始通量高達(dá)170升/平方米·小時(shí)，是PTFE膜（7.9升/平方米·小時(shí)）的21倍，但親水表面極易結(jié)垢，2.5小時(shí)內(nèi)通量衰減超32%且伴隨鹽沉積；PTFE膜雖初始通量低，但抗?jié)櫇衽c抗污染能力更強(qiáng)，5小時(shí)內(nèi)通量衰減26.6%。

經(jīng)過生物炭預(yù)處理后，兩種膜的通量衰減問題均得到顯著緩解，紅外光譜顯示PES膜表面基本保持原狀。Zui終產(chǎn)水水質(zhì)方面，PTFE膜配置下磷酸鹽完全不可檢出，電導(dǎo)率降至64至70微西門子/厘米（原水為817）；PES膜配合預(yù)處理后殘余磷酸鹽降至0.1毫克/升。綜合水質(zhì)組合為“預(yù)處理+PTFE膜”。

能耗與成本測(cè)算顯示，基于PES的工藝耗電約1.5千瓦時(shí)/升，PTFE配置需4.2至4.6千瓦時(shí)/升。預(yù)處理步驟本身耗電極低（0.00095千瓦時(shí)/升），但因保護(hù)了膜通量，使蒸餾階段分別節(jié)省0.03和0.32千瓦時(shí)/升。按得州電價(jià)（約11.8美分/千瓦時(shí)）折算，集成工藝產(chǎn)水能耗成本約為0.50美元/升，較無預(yù)處理時(shí)的0.54美元/升有所下降。作者指出，該工藝目前仍屬實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，單次取水樣本存在波動(dòng)性，磁性混凝劑的可重復(fù)使用性、納米顆粒長(zhǎng)期浸出風(fēng)險(xiǎn)及連續(xù)運(yùn)行表現(xiàn)尚待中試驗(yàn)證。該技術(shù)未來有望結(jié)合廢熱或太陽(yáng)能進(jìn)一步改善經(jīng)濟(jì)性。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-16。本文為資料編譯。