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膜技术，尤其是微滤（MF）/超滤（UF）工艺，因其对颗粒、胶体和微生物的有效去除而被广泛地应用于地表水处理过程中。然而，膜污染问题极大地限制了该技术的广泛应用。地表水中普遍存在的天然有机物（NOM）被认为是影响膜污染的主要污染物。尽管地表水中的天然有机物含量相对较低，但它们通常具有复杂的成分，这使得难以探索天然有机物的一般结垢机理。而海藻酸钠由于其性质和污染行为与天然有机物相似，并且在自然水体中具有普遍性，已被广泛用作模型有机物进行实验研究。
目前对于单纯由海藻酸钠引起的膜污染问题，国内外众多学者已开展了大量的研究。然而，膜污染的形成实质上是一个物理化学共同作用的过程，地表水成分复杂，该过程会受到进水成分的影响。因此，任何会对海藻酸钠的物化性质产生影响的因素都会对膜污染的形成产生直接或间接的影响。金属阳离子和离子强度是两个最基本的环境因子，它们不仅会影响膜的性质，同时还在很大程度上决定了海藻酸钠在水体中的性质和结构。目前，二价金属阳离子（尤其是Ca2+和Mg2+）与海藻酸钠的二元体系对膜污染的影响及潜在机制已经得到广泛的研究和探讨。离子强度与海藻酸钠对膜污染的共同影响也已有研究报道。
然而，针对三价金属阳离子与海藻酸钠的二元体系以及金属阳离子、离子强度和海藻酸钠的三元体系的相关研究有限，仅有的几篇只集中于污垢特性的表征和比较，相互作用的信息非常有限。深入和全面地探讨与海藻酸钠相关的膜污染问题，对于人们选择合适的膜污染防治措施具有重要的意义。
本文以海藻酸钠作为天然有机物的模型物质，通过实验室规模的死端过滤装置进行过滤阻力测试，以比过滤阻力（Specific Filtration Resistance,SFR）参数评估三价金属阳离子（Al3+）与海藻酸钠的二元体系以及金属阳离子（Ca2+、Fe3+）、离子强度和海藻酸钠的三元体系对膜污染的情况，并通过密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）和基于Flory-Huggins晶格理论的热力学机制对内在机制进行了深入和全面的阐释。主要研究结果如下：
（1）随着聚合氯化铝浓度从0增加到500mg/L，藻酸盐-铝混合溶液的SFR从开始的1.40×1015m-1·kg-1超高值急剧下降到3.85×1012m-1·kg-1。研究表明，随着聚合氯化铝用量的增加，藻酸盐-铝络合物的形态由凝胶态向絮状转变。DFT计算表明，当聚合氯化铝用量较少时，Al3+与藻酸盐链末端羧基优先配位，形成均质水合的凝胶。凝胶引起的超高SFR可以用Flory-Huggins晶格理论来解释。而大量的聚合氯化铝使得Al3+与非末端羧基发生配位，表面电荷减少，静电排斥力减弱导致了凝胶的坍塌和絮状物的形成，很好地解释了此时SFR值较低的原因。
（2）研究了藻酸盐溶液在不同Ca2+浓度和离子强度下的污染行为。发现Ca2+浓度为1.5mM的藻酸盐溶液具有非常高的SFR（约3.596×1015m-1·kg-1），并且SFR随着Ca2+浓度的下降而下降，随着离子强度的增加而上升。一系列表征表明，藻酸盐溶液的zeta电位、粒径、粘度以及污垢层的微观结构和污染行为密切相关。基于这些特征，提出了基于Flory-Huggins晶格理论的热力学机制来解释1.5mM Ca2+浓度下藻酸盐溶液极高的SFR。同时，分子间优先配位是导致SFR随Ca2+浓度的增加而下降的原因。此外，双电层压缩效应与Flory-Huggins晶格理论相结合可以很好地解释SFR随着离子强度的增加而增加的趋势。
（3）对具有不同Fe3+浓度和离子强度的藻酸盐溶液进行过滤时，观察到四个有趣的现象：0.1mM Fe3+浓度下的藻酸盐溶液的SFR极高；SFR随Fe3+浓度的增加呈下降趋势；0.1mM Fe3+浓度下的SFR随着离子强度的增加呈上升趋势；2.0mM Fe3+浓度下的SFR基本不受离子强度的影响。实验表征表明这四种现象与污垢特性（zeta电位、粘度、粒径、形貌和污垢层的微观结构）之间密切相关。进一步提出，藻酸盐凝胶非常高的SFR可以根据Flory-Huggins晶格理论阐述的热力学机制来解释。第二种现象是优先分子间配位导致的。此外，通过Flory-Huggins晶格理论与双电层压缩效应可以很好地解释第三和第四种现象。
目前对于单纯由海藻酸钠引起的膜污染问题，国内外众多学者已开展了大量的研究。然而，膜污染的形成实质上是一个物理化学共同作用的过程，地表水成分复杂，该过程会受到进水成分的影响。因此，任何会对海藻酸钠的物化性质产生影响的因素都会对膜污染的形成产生直接或间接的影响。金属阳离子和离子强度是两个最基本的环境因子，它们不仅会影响膜的性质，同时还在很大程度上决定了海藻酸钠在水体中的性质和结构。目前，二价金属阳离子（尤其是Ca2+和Mg2+）与海藻酸钠的二元体系对膜污染的影响及潜在机制已经得到广泛的研究和探讨。离子强度与海藻酸钠对膜污染的共同影响也已有研究报道。
然而，针对三价金属阳离子与海藻酸钠的二元体系以及金属阳离子、离子强度和海藻酸钠的三元体系的相关研究有限，仅有的几篇只集中于污垢特性的表征和比较，相互作用的信息非常有限。深入和全面地探讨与海藻酸钠相关的膜污染问题，对于人们选择合适的膜污染防治措施具有重要的意义。
本文以海藻酸钠作为天然有机物的模型物质，通过实验室规模的死端过滤装置进行过滤阻力测试，以比过滤阻力（Specific Filtration Resistance,SFR）参数评估三价金属阳离子（Al3+）与海藻酸钠的二元体系以及金属阳离子（Ca2+、Fe3+）、离子强度和海藻酸钠的三元体系对膜污染的情况，并通过密度泛函理论（Density Functional Theory,DFT）和基于Flory-Huggins晶格理论的热力学机制对内在机制进行了深入和全面的阐释。主要研究结果如下：
（1）随着聚合氯化铝浓度从0增加到500mg/L，藻酸盐-铝混合溶液的SFR从开始的1.40×1015m-1·kg-1超高值急剧下降到3.85×1012m-1·kg-1。研究表明，随着聚合氯化铝用量的增加，藻酸盐-铝络合物的形态由凝胶态向絮状转变。DFT计算表明，当聚合氯化铝用量较少时，Al3+与藻酸盐链末端羧基优先配位，形成均质水合的凝胶。凝胶引起的超高SFR可以用Flory-Huggins晶格理论来解释。而大量的聚合氯化铝使得Al3+与非末端羧基发生配位，表面电荷减少，静电排斥力减弱导致了凝胶的坍塌和絮状物的形成，很好地解释了此时SFR值较低的原因。
（2）研究了藻酸盐溶液在不同Ca2+浓度和离子强度下的污染行为。发现Ca2+浓度为1.5mM的藻酸盐溶液具有非常高的SFR（约3.596×1015m-1·kg-1），并且SFR随着Ca2+浓度的下降而下降，随着离子强度的增加而上升。一系列表征表明，藻酸盐溶液的zeta电位、粒径、粘度以及污垢层的微观结构和污染行为密切相关。基于这些特征，提出了基于Flory-Huggins晶格理论的热力学机制来解释1.5mM Ca2+浓度下藻酸盐溶液极高的SFR。同时，分子间优先配位是导致SFR随Ca2+浓度的增加而下降的原因。此外，双电层压缩效应与Flory-Huggins晶格理论相结合可以很好地解释SFR随着离子强度的增加而增加的趋势。
（3）对具有不同Fe3+浓度和离子强度的藻酸盐溶液进行过滤时，观察到四个有趣的现象：0.1mM Fe3+浓度下的藻酸盐溶液的SFR极高；SFR随Fe3+浓度的增加呈下降趋势；0.1mM Fe3+浓度下的SFR随着离子强度的增加呈上升趋势；2.0mM Fe3+浓度下的SFR基本不受离子强度的影响。实验表征表明这四种现象与污垢特性（zeta电位、粘度、粒径、形貌和污垢层的微观结构）之间密切相关。进一步提出，藻酸盐凝胶非常高的SFR可以根据Flory-Huggins晶格理论阐述的热力学机制来解释。第二种现象是优先分子间配位导致的。此外，通过Flory-Huggins晶格理论与双电层压缩效应可以很好地解释第三和第四种现象。