要約

凝集-超濾短流プロセスは、沈殿インフラコストを効果的に削減しますが、溶解した有機物を含む残留アニオンポリアクリルアミド（APAM）がUF膜の汚染制御とプロセスの安定性に課題をもたらします。この研究では、凝集-超濾プロセス中に凝集剤APAM残留物がUF膜の汚染挙動に与える影響のメカニズムを、汚染動力学、形態分析、および初期分子動力学シミュレーションを通じて調査しました。牛血清アルブミン（BSA、Mw：133.3 kDa）に対して、APAM濃度が5 mg/L未満の場合、APAMのアニオン群とBSAのカチオン残基との間の電荷中和を通じて汚染が軽減されました。汚染の軽減は5 mg/L APAMを超えると逆転し、この閾値では最小限の汚染が観察されました。初期の分子動力学は、APAMがBSAの構造再配置を誘発し、親水性群を外側に露出させて汚染動力学を遅くしながら不可逆的な孔の詰まりを増加させる可能性があることを示しました。フミン酸（HA、Mw：4 kDa）に対して、形態的変遷が10 mg/L APAMで汚染の変曲点を引き起こし、53.41％の不可逆性で最小限の汚染を達成しました。HAの集合体は、APAMが増加するにつれて、粒子状、フロック状、コアシェル構造へと進化しました。シミュレーションデータは、APAM濃度が分子間力を変化させ、HAフロックサイズの急激な変化と構造変換を引き起こすことを示しました。結果は、短流プロセスにおける残留APAM濃度の制御が膜汚染の管理を改善するために不可欠であり、凝集-超濾プロセスの安定した運用を最適化するための技術的洞察を提供することを示唆しています。

イントロダクション

世界的な水不足が深刻化し、飲料水源の汚染が頻繁になるにつれて、清潔な水の需要は引き続き増加しています[1]。その結果、安全で信頼できる飲料水供給を確保するための高度な表面水処理技術の開発がますます緊急の課題となっています[2,3]。凝集沈殿超濾過（C–S–UF）プロセスは、国内外の表面水処理プロジェクトで広く採用されています。このプロセスは、懸濁物質やバイ菌を効率的に除去し、水供給の安全性を確保します[4]。しかし、このプロセスに沈殿タンクを含めることは、建設コストを増加させるだけでなく、処理時間も延長します。

これらの制限に対処するために、研究者たちは沈殿タンクに関連する高い建設コストを軽減するための短プロセスの代替手段として、凝集-超濾過（C–UF）にますます注目しています[5]。凝集は懸濁物質を効果的に除去しますが、水から溶解性有機物（DOM）を除去する能力には限界があります。超濾過技術は、安定した排水品質、高い濁度除去効率、効果的な病原体除去などの利点から大きな注目を集めています。超濾過はDOMの大きな分子を部分的に除去できますが、膜の汚染の主な原因として、DOMは超濾過の安定性を損ないます[6]。短流構成に統合されると、C–UFプロセスは沈殿の必要性を排除し、膜濾過と組み合わせた凝集によって濁度と懸濁物質濃度の大幅な削減を可能にし、操作を簡素化します[7]。従来のC–S–UFシステムとは異なり、短流セットアップは、投薬後短期間で膜を残留凝集剤と沈殿しないDOMにさらすため、特有の膜汚染リスクをもたらします。「短流」という用語は非公式のままですが、このような構成は、特にシンガポールや日本のようなスペースが限られた地域で、コンパクトまたは分散型システムでますます採用されています。例えば、シンガポールのトゥアス水処理プラントは、2018年から1日あたり300,000 m3の水を処理するために短流C–UFを成功裏に採用しています[8]。この成長する採用は、これらの独特な条件下での凝集剤–DOM–膜相互作用をよりよく理解する必要性を強調しています。凝集剤はDOMの除去に限られた効果を持ち、残留凝集剤はDOMの特性に変化を引き起こし、膜汚染の傾向を変化させ、したがって短流でのプロセスの安定した運転に影響を与えます。

さまざまな凝固剤の中で、ポリアクリルアミド（PAM）はDOMの除去において優れた性能を示します[9]。最も広く使用されている合成有機ポリマー凝固剤として、PAMは排水水質の向上において重要な役割を果たします。研究によると、PAMは微細粒子の凝集を促進するだけでなく、DOMの濃度を効果的に低下させることも示されています。しかし、水中の残留PAMは、その後の短流量超ろ過プロセスにおいて膜の汚染を引き起こす可能性があり、これにより超ろ過システムの効率に影響を与えます[10]。飲料水処理のための短い凝固-超ろ過プロセスにおける非イオン性ポリアクリルアミド（NPAM）と高分子アルミニウム塩（PAC）の併用は、超ろ過および微細ろ過膜の汚染を大幅に減少させることが示されています[[11], [12], [13]]。対照的に、他の研究では、陽イオン性ポリアクリルアミド（CPAM）が正に帯電したポリマーと負に帯電した膜表面との間の強い静電的引力により膜の汚染を悪化させることが示されています。これにより、膜上に残留PAMのケーキ層が形成されます[14]。逆に、凝固剤の直接的な沈着によって形成されたケーキ層が膜の汚染を軽減するのに役立つことが示されています[15,16]。異なる種類のPAMは膜の汚染に異なる影響を及ぼし、CPAMは汚染を悪化させます。CPAMの多様性と毒性のため、アニオン性ポリアクリルアミド（APAM）は水の浄化におけるフロック形成に一般的に使用されます[17]。しかし、残留APAMが異なる種類のDOMによって引き起こされる膜の汚染にどのように影響を与えるかに関する体系的な研究はまだ不足しています。

さらに、膜汚染の可逆的および不可逆的変化は、膜の性能に大きな影響を与えます。研究によると、DOMの種類が膜汚染の性質に影響を与え、特定のDOMタイプが不可逆的な汚染を引き起こしやすく、膜の劣化を加速させることが示されています[18,19]。一方で、PAMなどの凝集剤と特定のDOMとの相互作用が膜汚染の挙動を変化させ、汚染を可逆的にすることがより困難になり、不可逆的な汚染の可能性を大幅に増加させることが示唆されています[20]。しかし、典型的なDOMを用いたAPAM濃度によって引き起こされる膜汚染の可逆的/不可逆的変化を調査した研究はほとんどありません。

この研究は、短流れ凝集-超濾過プロセスにおける残留APAMの影響がその後の膜ろ過挙動に与える影響を調査することによって、このギャップに対処することを目的としています。APAM濃度の変化が潜在的および粒子サイズに与える影響を、BSA（Mw：133.3 kDa）やHA（Mw：4 kDa）などの典型的なDOMを使用して調査し、膜の汚染シフトや微視的形態の変化を引き起こしました。まず、残留APAMの濃度の変動が膜ろ過性能および膜汚染層の特性に与える影響を調査しました。さらに、原子間力顕微鏡（AFM）を使用して、汚染層の微視的形態と特性を分析しました。膜汚染の可逆的/不可逆的変換をさらに調査するために、基礎的なMDシミュレーションを実施して、その背後にあるメカニズムを探りました。この研究は、APAM濃度が膜汚染の可逆的/不可逆的変換に与える影響を明らかにし、残留凝集剤による膜汚染のメカニズムを理解するための理論的基盤を提供します。これらの発見は、凝集-超濾過短流プロセスの安定した運用を最適化するのに役立ちます。

APMA濃度がDOM粒子サイズとポテンシャルに与える影響

APAMの濃度が増加するにつれて、BSAとHAのゼータ電位と粒子サイズの変動が図2に示されています。典型的な高分子であるBSAの場合、溶液のゼータ電位は−11.0から−27.2 mVに急激に減少し、粒子サイズはAPAM濃度が0から5 mg/Lに増加するにつれて248.7から292.8 nmに大幅に増加しました。ゼータ電位の絶対値はAPAM濃度とともに増加し、これはより高い負の電荷に起因します。

結論

この研究は、APAMの残留濃度がBSAとHAという2つのモデルファウラントを使用して短いC–UFプロセスにおける膜汚染挙動をどのように調節するかを体系的に調査しました。主な結論は以下の通りです：

フィルトレーション、QCM-D 吸着–脱着、および AFM 形態結果は、残留凝集剤が DOM による膜汚染挙動の変化を引き起こす可能性があることを示しました。膜汚染は濃度依存的な可逆性と構造変化を示しました。