《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Forward osmosis desalination utilizing a food flavoring substance as a non-toxic and reusable draw solute
编辑推荐：
本研究系统评估了作为Draw溶质的谷氨酸钠（MSG）在前向渗透（FO）海水淡化中的性能，发现中性H?Glu物种因较低分配系数导致反向盐通量较高。采用2M MSG Draw溶液（以HGlu?为主）在脱盐后水质安全且无需再生，水通量达19.3 LMH，盐通量比仅为0.396 g/L，性能优于NaCl。此外，稀释后的Draw溶液可直接用于食品工业或作为低成本可持续肥料，验证了其多用途潜力。
Jayaprakash Deenadayalan | Shiao-Shing Chen | Nguyen Cong Nguyen | Hau Thi Nguyen | Thi Xuan Quynh Nguyen | Vikas N Kendre
国立台北科技大学环境工程与管理研究所，台湾台北市中兴东路3段1号，邮编10608
摘要
正向渗透（FO）是一种被广泛认可的水资源回收和海水淡化绿色技术。确保其实际应用性和环境可持续性首先需要选择合适的渗透溶质，这些溶质应无毒、成本低且可重复使用。在这方面，味精（Monosodium Glutamate，简称MSG）作为一种被归类为“普遍认为安全”（GRAS）的常用调味剂，已被证明具有较高的渗透潜力，这使其成为一种安全有效的海水淡化渗透溶质。本文系统研究了MSG的pH值对其渗透性能的影响。结果表明，中性形式的H?Glu相对于阴离子形式会降低反向盐通量，因为其分配系数较低。使用主要由[HGlu?]（99.6%）组成的2M MSG渗透溶液，并以去离子水作为进水，实现了19.3 LMH的高水通量，同时反向盐通量（J?/Jw）仅为0.396 g/L。与NaCl渗透溶液相比，MSG的性能比更高（分别为0.722和0.501）。此外，海水（含35 g/L NaCl）的淡化过程中，实际水通量比理论值减少了约5倍。此外，经过正向渗透处理后的稀释MSG溶液可以直接用于食品工业或作为低成本、可持续的肥料，这凸显了其在海水淡化和多功能再利用方面的潜力。
引言
全球水资源短缺问题因人口增长、气候变化和需求增加而日益严重，这加剧了对可持续处理和海水淡化解决方案的需求。尽管海水占全球水资源的最大份额，但其利用受到传统技术能耗的限制。基于膜的过程，特别是反渗透（RO），仍然是主要的技术手段，但高能耗和膜污染等挑战仍限制了其性能[1]。正向渗透（FO）作为一种有前景的替代技术，在废水处理、微咸水和海水淡化、食品加工以及发电领域具有广泛应用前景。通过利用自然渗透梯度，FO能够降低能耗、减少膜污染并延长膜寿命[2]。目前，FO研究的重点已从讨论其可行性转向解决其主要挑战：开发安全、经济且易于再生的渗透溶质[3]。
FO的性能很大程度上取决于渗透溶质的选择，该溶质不仅需要提供足够的渗透压，还必须易于再生以供重复使用[4]。一个有效的渗透溶质应满足以下关键要求：(i) 低毒性，不对健康或环境产生不良影响；(ii) 经济性；(iii) 在高浓度下粘度低；(iv) 与FO膜兼容，避免长时间运行时造成损伤；(v) 最小化的反向扩散；(vi) 在多次循环中使用时具有化学稳定性。同时满足所有这些标准仍然是推进实际应用FO渗透溶质的最大挑战之一[3]。最终目标是确保渗透液的安全性和无毒性。
最近的研究探索了各种创新的渗透溶质，包括有机化合物（如聚电解质[例如聚丙烯酸钠盐、聚乙烯亚胺、天冬氨酸钠盐、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯磺酸盐和丙二醇]）和磁性纳米颗粒[例如硫酸铝钠包覆的Fe?O?和基于氧化铁的纳米纤维][5]。虽然这些溶质可以提供高渗透压和低反向溶质通量，但在毒性和成本方面存在权衡。例如，磁性纳米颗粒可能通过吸入、皮肤接触、摄入或注射进入人体，暴露浓度超过10 mg/L与行为变化有关，而约25 mg/L的浓度可能会损害红细胞[6]。图1详细展示了无机渗透溶质和聚电解质的毒性概况[4],[7]。这些担忧突显了开发毒性更低、可重复使用、可生物降解、易于生产且不牺牲FO性能的渗透溶质的必要性。
来自天然化合物的渗透溶质具有优势，因为它们可以直接生产饮用水而无需再生，这一点通过使用可食用渗透溶质的应急正向渗透水袋得到了验证[8],[9]。无毒的糖基渗透溶质（包括蔗糖和葡萄糖酸盐）也显示出在果汁浓缩方面的有效性能[10]。同样，如植酸钠、木质素钠和商业肥料等渗透溶质在经过正向渗透处理后可以直接用于作物灌溉[9],[11],[12]。此外，天然渗透剂（包括氨基酸和甜菜碱）据报道可以提升FO性能，并可能提高厌氧消化过程中甲烷的产生[13]。
在此背景下，我们关注味精（MSG，E621），这是一种被归类为GRAS的食品添加剂，广泛用作调味剂，是谷氨酸的钠盐。谷氨酸是一种必需氨基酸，天然存在于多种蛋白质和肽中，在大多数生物组织中含量丰富。包括联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA）、美国食品药品监督管理局（FDA）和欧洲食品安全局（EFSA）在内的监管机构均认为MSG是安全可用的。值得注意的是，EFSA建议的每日可接受摄入量（ADI）为每公斤体重30 mg，证实了其在正常饮食暴露水平下的安全性[14]。除了低毒性外，MSG还具有多种使其成为理想FO渗透溶质的特性，包括高渗透压、优异的溶解性、经济性和高水通量。MSG还可以用于可回收和可重复的应用，进一步增强了其作为可持续FO渗透溶质的多样性。例如，MSG已被证明可用作液体有机肥料，在蔬菜和水稻等作物种植中有效提高产量[15]。图2展示了MSG的多功能再利用。因此，这些特性足以使MSG成为潜在的FO海水淡化渗透溶质。本研究系统评估了MSG作为FO淡化过程中渗透溶质的性能。通过证明MSG在FO淡化中的可行性，这项工作为寻找环境友好的渗透溶质做出了贡献，从而加速正向渗透技术向实际绿色技术的转变。
材料
CTA正向渗透（FO）膜从Sterlitech Corporation（美国）购买。该膜具有相对疏水性，接触角约为70°，水渗透系数（A）为0.65 L/m2h·bar。食品级味精（纯度99.0%）在当地超市购买。其平均分子量为169.1 g/mol，分子式为C?H??NNaO?。在FO实验中使用了去离子水、微咸水（NaCl浓度分别为5 g/L、10 g/L和20 g/L）以及海水（NaCl浓度为35 g/L）。
MSG渗透溶液的pH值优化
为了获得理想的FO性能，对MSG溶液的pH值进行了优化。谷氨酸在水溶液中可以存在四种质子化状态：H?Glu?、H?Glu、HGlu?和Glu2?，其pK? = 2.2、pK? = 4.3和pK? = 9.7[16]。随后在不同pH值下评估了FO水通量和反向盐通量。在pH 4时，中性形式的H?Glu占主导（[H?Glu] = 65.9%，[HGlu?] = 33%）；而在pH 7和10时，阴离子形式占主导。
结论
本研究探讨了作为FO渗透溶质的MSG，这是一种GRAS类别的食品添加剂，具有较低的急性毒性。除了用于海水淡化外，稀释后的渗透溶液还具有直接用于食品工业或作为经济环保肥料的潜力。溶液pH值的影响为了解溶质-膜相互作用提供了宝贵见解，表明中性形式的MSG由于其较低的分配系数而有助于提高反向盐通量。
CRediT作者贡献声明
Jayaprakash Deenadayalan：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理、概念构思。
Thi Xuan Quynh Nguyen：正式分析。
Hau Thi Nguyen：正式分析。
Nguyen Cong Nguyen：正式分析。
Shiao-Shing Chen：撰写——审稿与编辑、验证、监督。
Vikas N Kendre：正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
