Prügila nõrgvett, mida iseloomustab selle keerukas koostis ja kõrge saasteainete kontsentratsioon, peetakse üheks kõige keerulisemaks puhastatavaks reovee liigiks. Viimastel aastatel on membraanide eraldamise tehnoloogiaid hakatud üha enam kasutama nõrgvee täiustatud puhastamiseks. Nende hulgas on nanofiltratsiooni (NF) membraanid näidanud märkimisväärset jõudlust orgaaniliste ühendite ja kahevalentsete või mitmevalentsete soolade kõrge hülgamise tõttu. Siiski on membraani saastumine ja ummistus endiselt kriitiliseks probleemiks-pikaajalise stabiilse töö tagamiseks. Saastumine mitte ainult ei vähenda membraanivoogu ja suurendab töörõhku, vaid suurendab ka asenduskulusid ja energiatarbimist, mõjutades otseselt majanduslikku teostatavust ja jätkusuutlikkust. Traditsioonilised uuringud on peamiselt keskendunud makroskoopilistele tööparameetritele, nagu rõhk, temperatuur ja pH, samas kui mikro{6}}taseme arusaamine orgaaniliste molekulaarstruktuuride ja saastumiskäitumise vahelistest seostest on endiselt piiratud. Selle probleemi lahendamiseks on teadlased kasutusele võtnud kvantkeemilised parameetrid ja kvantitatiivse struktuuri ja aktiivsuse suhte (QSAR) mudelid, et uurida molekulaarsel skaalal saastumise mehhanisme, pakkudes uusi võimalusi membraani saastumise ennustamiseks ja kontrollimiseks.
Metoodiliselt keskendus uuring Shanghais asuva nõrgveepuhastusjaama kasutusest kõrvaldatud NF8040 membraanidele. ICP analüüs kinnitas, et saastumise põhjustas peamiselt Ca2+ ja Fe3⁺ ioonide sadestumine. Eemaldamise efektiivsuse määramiseks viidi läbi adsorptsiooni- ja koagulatsioonikatsed, kasutades CaCl2 ja FeCl3 süsteemide mudelsaasteainetena 15 tüüpilist orgaanilist värvainet. Tulemused näitasid, et FeCl3 süsteemil oli märkimisväärselt kõrgem orgaanilise eemaldamise efektiivsus kui CaCl2 süsteemil (keskmine eemaldamine: 45, 94% vs 5, 50%), kusjuures üksikute molekulide vahel olid märkimisväärsed erinevused, mis viitab sellele, et orgaanilise struktuuri mõju saastumisele varieerub sõltuvalt anorgaanilise iooni taustast. Kvantkeemilised arvutused viidi läbi 45 molekulaarse parameetri jaoks, sealhulgas molekulaarenergia, lokaalsed laengud ja HOMO / LUMO energiad, ning QSAR-i mudelid loodi astmelise regressiooni abil, et selgitada välja molekulaarstruktuuri mõju eemaldamise efektiivsusele ja saastumise panusele. Mudelid valideeriti sisemise rist{10}}valideerimise, välise valideerimise ja Y-juhuslikkuse testide kaudu, mis näitasid head stabiilsust ja ennustamisvõimet. Täpsemalt, CaCl2 süsteemis tuvastati ELUMO (madalaim hõivamata molekulaarorbiidi energia) orgaanilise eemaldamise efektiivsust mõjutava võtmetegurina, samas kui FeCl3 süsteemis oli domineerivaks teguriks EB3LYP (kogu molekulaarenergia, peegeldab molekuli suurust). Kokku tuvastati nõrgvees 219 orgaanilist ühendit, alates väikestest molekulidest (nt 1,4-dietüül-2-piperasinoon) kuni suurte orgaaniliste-anorgaaniliste kompleksideni (nt tetrakosametüültsüklododekasiloksaan). Leiti, et need molekulid on Ca2+-ga suhtlemisel kalduvamad sadestuma ja ummistuma, mõjutades oluliselt membraani voogu ja kasutusiga.
Nende leidude põhjal saavad QSAR-i mudelid ennustada erinevate orgaaniliste saasteainete käitumist saastumise tingimustes, pakkudes vahendit membraani eluea hindamiseks ja nihutades lähenemisviisi reaktiivselt "puhastamiselt pärast saastumist" ennetavale "ennustavale ennetamisele". Tuvastades molekulaarsed omadused, mis võivad interaktsioonile Ca²⁺ ja Fe³⁺, saab tulevase membraani disaini suunata pinna funktsionaliseerimise, hüdrofiilsete katete või saastumisvastaste modifikatsioonide kaudu. Lisaks võib koagulatsiooni või adsorptsiooni eeltöötlemise Kvantkeemiliste parameetrite täiendav kombineerimine võrguandurite andmetega võib võimaldada dünaamiliste ennustussüsteemide väljatöötamist, hõlbustades NF-membraanide intelligentset ja adaptiivset tööd ning edendades nõrgveepuhastussüsteemide täpset ja vähese süsinikdioksiidiheitega haldamist.
Kokkuvõtlikult võib öelda, et nanofiltratsioonimembraani saastumist ei mõjuta mitte ainult tavapärased tööparameetrid, vaid see on tihedalt seotud ka orgaaniliste molekulaarstruktuuride ja peamiste saastumisioonidega, nagu Ca2+ ja Fe³⁺. Kvantkeemiliste parameetrite ja QSAR-i modelleerimise integreerimine annab ülevaate keeruliste orgaaniliste saasteainete panusest saastumisesse ning pakub teaduslikku alust membraanimaterjalide optimeerimiseks, tööjuhtimiseks ja intelligentseks juhtimiseks. Selline lähenemine avab uusi perspektiive prügilate nõrgvee säästlikuks ja täpseks töötlemiseks.
