Výluh ze skládek, charakteristický svým složitým složením a vysokými koncentracemi znečišťujících látek, je považován za jeden z nejnáročnějších typů odpadních vod na čištění. V posledních letech se pro pokročilé zpracování výluhů stále více uplatňují technologie membránové separace. Mezi nimi prokázaly nanofiltrační (NF) membrány pozoruhodný výkon díky své vysoké odolnosti vůči organickým sloučeninám a dvojmocným nebo vícemocným solím. Znečištění a zablokování membrány však zůstává kritickým problémem pro dlouhodobý-stabilní provoz. Znečištění nejen snižuje tok membrány a zvyšuje provozní tlak, ale také zvyšuje náklady na výměnu a spotřebu energie, což přímo ovlivňuje ekonomickou proveditelnost a udržitelnost. Tradiční studie se většinou zaměřovaly na makroskopické provozní parametry, jako je tlak, teplota a pH, zatímco porozumění vztahu mezi organickými molekulárními strukturami a chováním při zanášení zůstává omezené na mikro-úrovni. K vyřešení tohoto problému zavedli výzkumníci kvantově chemické parametry a modely kvantitativního vztahu mezi strukturou a aktivitou (QSAR), aby prozkoumali mechanismy znečištění v molekulárním měřítku, což poskytuje nové možnosti pro předpovídání a kontrolu znečištění membrány.
Z hlediska metodiky se studie zaměřila na vyřazené membrány NF8040 z čistírny výluhů v Šanghaji. Analýza ICP potvrdila, že znečištění bylo primárně způsobeno ukládáním iontů Ca2+ a Fe3⁺. Adsorpční a koagulační experimenty byly provedeny za použití 15 typických organických barviv jako modelových polutantů v systémech CaCl2 a FeCl3, aby se určila účinnost odstraňování. Výsledky ukázaly, že systém FeCl3 vykazoval významně vyšší účinnost odstraňování organických látek než systém CaCl2 (průměrné odstranění: 45,94 % vs 5,50 %), s výraznými rozdíly mezi jednotlivými molekulami, což naznačuje, že vliv organické struktury na znečištění se liší v závislosti na anorganickém iontovém pozadí. Kvantově chemické výpočty byly provedeny pro 45 molekulárních parametrů, včetně molekulární energie, lokálních nábojů a energií HOMO/LUMO, a modely QSAR byly vytvořeny pomocí postupné regrese k objasnění vlivu molekulární struktury na účinnost odstraňování a příspěvek k zanášení. Modely byly ověřeny prostřednictvím interního křížového{10}}ověření, externího ověření a Y{11}}randomizačních testů, které prokázaly dobrou stabilitu a prediktivní schopnosti. Konkrétně v systému CaCl₂ byl jako klíčový faktor ovlivňující účinnost odstraňování organických látek identifikován ELUMO (nejnižší neobsazená molekulární orbitální energie), zatímco v systému FeCl3 byl dominantním faktorem EB3LYP (celková molekulární energie, odrážející velikost molekul). Ve výluhu bylo detekováno celkem 219 organických sloučenin, od malých molekul (např. 1,4-diethyl-2-piperazinon) až po velké organicko-anorganické komplexy (např. Tetracosamethyl-cyklododekasiloxan). Bylo zjištěno, že tyto molekuly jsou při interakci s Ca2⁺ náchylnější k ukládání a zablokování, což významně ovlivňuje tok membrány a životnost.
Na základě těchto zjištění mohou modely QSAR předpovídat chování různých organických polutantů za podmínek znečištění, poskytují nástroj pro hodnocení životnosti membrány a posunují přístup od reaktivního „čištění po znečištění“ k proaktivní „prediktivní prevenci“. Identifikací molekulárních vlastností náchylných k interakci s Ca²⁺ a Fe3⁺ lze budoucí design membrány zaměřit na funkcionalizaci povrchu, hydrofilní povlaky nebo úpravy proti-zanášení. Kromě toho integrace koagulačních nebo adsorpčních strategií předběžného zpracování-může snížit vstup vysoce rizikových organických sloučenin do membránového systému a zmírnit znečištění u zdroje. Další kombinování kvantově chemických parametrů s daty online senzorů by mohlo umožnit vývoj dynamických prediktivních systémů, usnadňujících inteligentní, adaptivní provoz NF membrán a podporující přesné, nízkouhlíkové-řízení systémů úpravy výluhů.
Stručně řečeno, zanášení nanofiltrační membrány není ovlivněno pouze konvenčními provozními parametry, ale úzce souvisí také s organickými molekulárními strukturami a klíčovými znečišťujícími ionty, jako jsou Ca2⁺ a Fe3⁺. Integrace kvantově chemických parametrů a QSAR modelování poskytuje pohled na příspěvky komplexních organických polutantů k zanášení a nabízí vědecký základ pro optimalizaci membránových materiálů, provozní řízení a inteligentní řízení. Tento přístup otevírá nové perspektivy pro udržitelné a přesné zpracování výluhu ze skládek.
