论文标题：A tale of two minerals: contrasting behaviors and mitigation strategies of gypsum scaling and silica scaling in membrane desalination

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Tiezheng Tong, Shinyun Park, Yiqun Yao

发表时间： 15 Jan 2025

DOI：10.1007/s11783-025-1923-9

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FESE

Young Talent Award 2024

摘要

由于气候变化等因素，膜法脱盐技术在实现可持续性供水目标中的作用日益显著，而矿物结垢是膜法脱盐的主要限制因素。不同的矿物质形成机理不同，导致不同的无机垢具有不同的结垢行为以及控制策略。本综述系统地比较了石膏垢和硅垢这两种脱盐过程中主要无机垢在膜法脱盐中的不同。石膏垢和硅垢的形成分别基于结晶和分子聚合过程，而这两种不同的矿物形成机理影响结垢的热力学、动力学、以及矿物形态。基于文献调研，文章进一步描述了这两种典型无机垢在膜法脱盐中显著不同的行为与危害，且系统阐述了石膏与硅和有机物之间不同的相互作用。此外，还讨论了石膏垢和硅垢的不同控制策略，包括抗垢膜材料、阻垢剂、以及预处理技术。最后，文章强调了基于矿物质形成原理来设计无机垢控制策略的重要性，并且对未来的研究方向进行了展望。

摘要图

1 引言

水资源紧缺日益成为全球面临的严重问题。为解决这一问题，从非常规水源中获取淡水是实现水资源可持续性的重要手段，而膜法脱盐技术是实现以上过程的关键。然而，膜污染是限制膜法脱盐技术效率的主要因素。相比于有机污染和生物污染，无机污染（矿物结垢）的过程更为复杂但研究较少。矿物垢的形成机理可以分为两类：结晶和聚合。钙盐及钡盐，如石膏、方解石、和重晶石的形成是通过结晶过程，产生具有特定形状的晶体。硅垢的产生则依赖于聚合过程：硅酸分子之间的聚合产生无定形的硅垢。本综述详细描述了矿物垢形成机理的不同对石膏垢和硅结垢的热力学、动力学、及行为特征的影响，并且讨论了石膏和硅与有机污染物之间的相互作用。此外，本综述还对石膏垢和硅垢在膜法脱盐中的控制策略进行了总结，对相关领域的研究需要进行了展望。

2 石膏和硅的形成机理不同

2.1 石膏的形成机理

石膏是地下水脱盐和工业废水处理中常见的矿物垢。石膏的形成很长时间被认为遵循经典成核理论（图1A）。根据此理论，形成稳定的矿物核需要跨越一个能量壁垒（图1B）。然而，研究者们最近发现经典成核理论可能不适用于石膏的形成过程。这是由于（亚）纳米级、稳定的硫酸钙颗粒的发现表明石膏的形成可能用非经典成核理论描述更为准确。成核过程对于研究石膏在脱盐过程中结垢及相关控制策略有着重要意义。

图1 石膏的形成机理

2.2 硅的形成机理

与石膏不同，硅垢的形成来源于硅酸分子的聚合过程（图2）。带有少量的带电负性的硅酸分子相比于电中性的硅酸分子的活性更强，在硅垢的形成中起到重要的作用。带负电性的硅酸分子/聚合物及颗粒对硅垢在脱盐过程中的动力学有重要影响。

图2 硅垢的形成机理

3 石膏垢和硅垢在膜法除盐过程中的行为不同

由于形成机理的差异，石膏垢和硅垢在膜法除盐过程中的行为有显著不同。首先，石膏垢的形成速度要远高于硅垢。其次，石膏晶体的形成具有定向性和侵入性，而无定形硅垢的形成则是非定向的。硅垢在膜表面的粘附能力强于石膏垢。此外，石膏与硅的溶解度对于温度的相应不同。以上区别影响针对这两种矿物垢控制策略的设计与选择。

图3 石膏垢和硅垢在膜蒸馏过程中的不同行为

4 石膏垢和硅垢与有机污染物的相互作用不同

实际的膜法脱盐过程的原水不仅包含矿物质，还包含有机物。由于石膏垢和硅垢的形成机理不同，它们与有机物的相互作用也不相同。比如，牛血清白蛋白的存在能够明显抑制石膏垢在反渗透过程中的形成及对水通量的影响（图4A和4E）。与之相反，牛血清白蛋白的存在能够加快硅垢在反渗透过程中水通量的下降（图4C和4G）。

图4 石膏垢和硅垢与蛋白质（常见有机污染物）的不同相互作用

5 石膏垢和硅垢需要不同的控制策略

5.1 抗垢膜材料

抗垢膜由于其与现有膜过滤设施的兼容性成为控制矿物垢的热门策略。对于硅垢污染，研究表明反渗透膜水通量下降的程度与膜表面的电荷密切相关。电负性更高的膜其水通量下降的程度较低，而电负性弱甚至弱正性的反渗透膜硅垢污染较为严重（图5A和5B）。这是由于带负电性的硅酸分子/聚合物及颗粒对硅的形成动力学有重要的调节作用。对于石膏污染，亲水性的多聚物层被证实可以减缓反渗透系统中膜水通量的下降（图5D）。这一现象可能是由于亲水多聚物层在膜表面形成一层致密的水化层，减少了石膏及硫酸钙颗粒（石膏前体物）在膜表面的附着（图5E）。

图5 针对硅垢和石膏垢的抗垢膜材料

在膜蒸馏过程中，超疏水材料可以有效地减少石膏垢在膜表面的形成。然而，超疏水膜对硅垢的抑制效果十分有限。这是由于石膏垢对水汽通量的降低主要来自于膜表面的异相成核，而硅垢对水汽通量的降低主要依赖于硅颗粒在溶液中的形成（图6G）。因此，膜表面性质对硅垢的影响不如其对石膏垢的影响显著。

图6 膜材料对石膏垢和硅垢的影响作用

5.2 阻垢剂

使用阻垢剂是工业中控制矿物质结垢的常用方法。现有的阻垢剂主要针对于结晶过程生成的矿物垢。然而，硅垢的产生不是基于结晶过程，因此目前商用的阻垢剂对硅垢的效果很低。由于目前仍缺乏有效的商用阻垢剂，设计与开发针对硅垢的阻垢剂是研究的热点。近期，研究者们揭示了胺基/酰胺基以及阻垢剂的分子形态对于抑制硅酸分子聚合的重要作用（图7E）。

图7 针对石膏垢和硅垢的阻垢剂

5.3 预处理

除抗垢膜材料和阻垢剂，石膏垢和硅垢的前体物可以通过预处理去除。最近，电混凝被证实能够同时去除钙离子和硅酸分子（图8C），从而为矿物垢的控制提供了新的思路。

图8 去除石膏和硅垢前体物的预处理方法

6 研究展望

本综述详细阐述比较了石膏垢和硅垢在脱盐过程中的不同机理、行为、及控制策略。然而，在未来的研究中仍需要进一步理解不同矿物垢的形成原理和特征，从而开发有针对性的控制策略。未来可以在以下几个方面进行更深入的研究：首先，矿物质之间、矿物质与膜、矿物质与有机物之间的相互作用需要在分子层面上进一步揭示。其次，针对硅垢的阻垢剂需要进一步开发。此外，由于矿物垢的控制策略与矿物质的类型密切相关，需要对实际膜法脱盐系统中的矿物垢进行详细地表征，而且针对具有复杂化学成分废水进行的矿物垢研究也亟待进行。

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本文内容来自FESE期刊2025年第19卷第1期发表的综述文章“A tale of two minerals: contrasting behaviors and mitigation strategies of gypsum scaling and silica scaling in membrane desalination”。通讯作者为美国亚利桑那州立大学的仝铁铮副教授。

引用格式：Tiezheng Tong, Shinyun Park, Yiqun Yao. A tale of two minerals: contrasting behaviors and mitigation strategies of gypsum scaling and silica scaling in membrane desalination. Front. Environ. Sci. Eng., 2025, 19(1): 3 https://doi.org/10.1007/s11783-025-1923-9

Special Issue—Young Talent

作者简介

仝铁铮，美国亚利桑那州立大学可持续工程与建筑环境学院副教授（终身教职）。其于北京师范大学环境学院与清华大学环境学院获得学士和硕士学位，美国西北大学土木与环境工程系获得博士学位， 曾在耶鲁大学师从Menachem Elimelech院士（美国工程院院士、中国工程院外籍院士）进行博士后研究。主要研究方向为(1) 针对浓盐水（hypersaline brine）的处理与资源化技术；(2) 无机矿物在水-膜界面的生成机制与控制策略；(3) 溶质在选择性膜分离过程中的传输机理。其在Nature Water、Nature Communications、 Environmental Science & Technology (ES&T，21 篇)、Energy & Environmental Science等国际顶尖杂志发表论文近80篇，总引用近7000次，H-index 为38，获得ES&T杂志Super Reviewer Award以及Excellence in Review Award，美国化学学会James J. Morgan Early Career Award (honorable mention)，美国自然科学基金会CAREER Award，ACS Environmental Au Rising Star in Environmental Research, 美国环境工程与科学院40 under 40 Award，北美华人环境工程与科学教授协会CAPEES/UCEEF Early Career Award， ACS ES&T Engineering 最佳论文奖，以及北美膜学会青年膜科学家奖等。目前担任国际著名期刊Journal of Membrane Science编委会成员以及CAPEES的候任主席。

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

期刊官网1（国内免费获取）

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期刊官网2

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