Аннотация

Процесс коагуляции-ультрафильтрации с коротким потоком эффективно снижает затраты на инфраструктуру осаждения, однако остаточный анионный полиакриламид (APAM) с растворенными органическими веществами создает проблемы для контроля загрязнения мембран UF и стабильности процесса. В ходе этого исследования был изучен механизм, с помощью которого остатки коагулянта APAM влияют на поведение загрязнения мембран UF в процессе коагуляции-ультрафильтрации через кинетику загрязнения, морфологический анализ и предварительные молекулярно-динамические симуляции. Для альбумина сыворотки крупного рогатого скота (BSA, Mw: 133,3 кДа) концентрации APAM ниже 5 мг/л уменьшали загрязнение за счет нейтрализации заряда между анионными группами APAM и катионными остатками BSA. Уменьшение загрязнения изменилось при превышении 5 мг/л APAM, при этом минимальное загрязнение наблюдалось на этом пороге. Предварительные молекулярно-динамические симуляции показали, что APAM может вызывать переориентацию структуры BSA, выставляя гидрофильные группы наружу, чтобы замедлить кинетику загрязнения, увеличивая при этом необратимое закупоривание пор. Для гуминовой кислоты (HA, Mw: 4 кДа) морфологические переходы вызвали инфлексию загрязнения при 10 мг/л APAM, достигая минимального загрязнения с 53,41 % необратимости. Агрегаты HA развивались через частицы, флокулянты и структуры ядро-оболочка по мере увеличения APAM. Данные симуляции показали, что концентрации APAM изменяли межмолекулярные силы, вызывая резкие изменения размера флокул HA и структурные трансформации. Результаты предполагают, что контроль остаточной концентрации APAM в процессе короткого потока имеет решающее значение для лучшего управления загрязнением мембран, предлагая технические идеи для оптимизации стабильной работы процесса коагуляции-ультрафильтрации.

Введение

По мере того как глобальная нехватка воды усиливается, а загрязнение источников питьевой воды становится все более частым, спрос на чистую воду продолжает расти [1]. Следовательно, разработка современных технологий очистки поверхностных вод для обеспечения безопасного и надежного водоснабжения стала все более актуальной [2,3]. Процесс коагуляции-осаждения-ультрафильтрации (C–S–UF) широко используется в национальных и международных проектах по очистке поверхностных вод. Этот процесс эффективно удаляет взвешенные вещества и бактерии, обеспечивая безопасность водоснабжения [4]. Однако включение осадительных резервуаров в этот процесс не только увеличивает строительные расходы, но и удлиняет время обработки.

Чтобы решить эти ограничения, исследователи все больше сосредотачиваются на коагуляции-ультрафильтрации (C–UF) как на альтернативе короткого процесса для снижения высоких затрат на строительство, связанных с осадительными резервуарами [5]. Хотя коагуляция эффективно удаляет взвешенные вещества, ее способность удалять растворенные органические вещества (DOM) из воды ограничена. Технология ультрафильтрации привлекла значительное внимание благодаря своим преимуществам, включая стабильное качество сточных вод, высокую эффективность удаления мутности и эффективное удаление патогенов. Ультрафильтрация может частично удалять крупные молекулы DOM; однако, будучи основным источником загрязнения мембран, DOMs компрометируют стабильность ультрафильтрации [6]. Когда C–UF процесс интегрирован в конфигурацию короткого потока, это устраняет необходимость в осаждении, упрощая операцию и позволяя существенно снизить концентрации мутности и взвешенных веществ за счет коагуляции в сочетании с мембранной фильтрацией [7]. В отличие от традиционных систем C–S–UF, установки короткого потока подвергают мембраны воздействию остаточных коагулянтов и неосаждаемых DOM в течение короткого времени после дозирования, что вводит особые риски загрязнения мембран. Хотя термин "короткий поток" остается неформальным, такие конфигурации все чаще принимаются в компактных или децентрализованных системах, особенно в условиях ограниченного пространства, таких как Сингапур и Япония. Например, Водный завод Туас в Сингапуре успешно использует короткий поток C–UF с 2018 года для обработки 300,000 м3 воды в день [8]. Это растущее принятие подчеркивает необходимость лучше понять взаимодействия коагулянт–DOM–мембрана в этих уникальных условиях. Коагулянты имеют ограниченное влияние на удаление DOM, а остаточные коагулянты вызывают изменение свойств DOM, что изменяет тенденцию к загрязнению мембран и, таким образом, влияет на стабильную работу процесса в коротком потоке.

Среди различных коагулянтов полиакриламид (PAM) демонстрирует превосходные результаты в удалении DOM [9]. Будучи наиболее широко используемым синтетическим органическим полимерным коагулянтом, PAM играет ключевую роль в улучшении качества сточных вод. Исследования показали, что PAM не только усиливает агрегацию мелких частиц, но и эффективно снижает концентрацию DOM. Однако остаточный PAM в воде может способствовать загрязнению мембраны в последующем процессе ультрафильтрации с коротким потоком, тем самым влияя на эффективность системы ультрафильтрации [10]. Совместное использование неионного полиакриламида (NPAM) и полимерного хлорида алюминия (PAC) в процессе коагуляции-ультрафильтрации для очистки питьевой воды показало значительное снижение загрязнения мембран ультрафильтрации и микрофильтрации [[11], [12], [13]]. В отличие от этого, другие исследования показали, что катионный полиакриламид (CPAM) может усугублять загрязнение мембраны из-за сильного электростатического притяжения между положительно заряженным полимером и отрицательно заряженной поверхностью мембраны, что приводит к образованию слоя остаточного PAM на мембране [14]. Напротив, было показано, что слой, образованный прямым осаждением коагулянта, может помочь смягчить загрязнение мембраны [15,16]. Разные типы PAM оказывают различное влияние на загрязнение мембраны, при этом CPAM усугубляет загрязнение. Из-за универсальности и токсичности CPAM анионный полиакриламид (APAM) обычно используется для флокуляции в очистке воды [17]. Однако систематические исследования механизмов, с помощью которых остаточный APAM влияет на загрязнение мембраны, вызванное различными типами DOM, по-прежнему отсутствуют.

Более того, обратимые и необратимые трансформации загрязнения мембраны значительно влияют на производительность мембраны. Исследования показали, что типы DOM влияют на природу загрязнения мембраны, при этом определенные типы DOM более охотно вызывают необратимое загрязнение, тем самым ускоряя деградацию мембраны [18,19]. Тем временем было предложено, что взаимодействия между коагулянтами, такими как PAM, и определенными DOM могут изменить поведение загрязнения мембраны, делая загрязнение более трудным для обратимого восстановления и значительно увеличивая вероятность необратимого загрязнения [20]. Однако лишь немногие исследования изучали обратимые/необратимые трансформации загрязнения мембраны, вызванные концентрациями APAM с типичными DOM.

Данное исследование направлено на устранение этого пробела путем изучения влияния остаточного APAM в процессе коагуляции-ультрафильтрации с коротким потоком на последующее поведение мембранной фильтрации. Эффект изменений концентрации APAM на потенциал и размер частиц был исследован с использованием типичных DOM, включая BSA (Mw: 133.3 кДа) и HA (Mw: 4 кДа), которые вызывали изменения загрязнения мембраны и изменения в микроскопической морфологии. Во-первых, были исследованы эффекты изменений концентрации остаточного APAM на производительность мембранной фильтрации и на характеристики слоя загрязнения мембраны. Кроме того, микроскопическая морфология и характеристики слоя загрязнения были проанализированы с использованием атомно-силовой микроскопии (AFM). Для дальнейшего изучения обратимого/необратимого превращения загрязнения мембраны были проведены предварительные MD-симуляции для изучения основных механизмов. Это исследование проясняет влияние концентрации APAM на обратимое/необратимое превращение загрязнения мембраны, предоставляя теоретическую основу для понимания механизма загрязнения мембраны, вызванного остаточным коагулянтом. Эти результаты могут помочь оптимизировать стабильную работу процесса коагуляции-ультрафильтрации с коротким потоком.

Эффект концентрации APMA на размер частиц DOM и потенциал

Изменения в зета-потенциале и размере частиц BSA и HA с увеличением концентраций APAM представлены на рис. 2. Для типичной макромолекулы BSA зета-потенциал раствора резко снизился с −11,0 до −27,2 мВ, в то время как размер частиц значительно увеличился с 248,7 до 292,8 нм по мере увеличения концентрации APAM с 0 до 5 мг/л. Абсолютное значение зета-потенциала увеличивалось с концентрацией APAM, что можно объяснить более высоким отрицательным зарядом.

Заключение

Это исследование систематически изучало, как остаточные концентрации APAM модулируют поведение загрязнения мембраны в коротком процессе C–UF с использованием двух модельных загрязнителей: BSA и HA. Ключевые выводы следующие:

Фильтрация, результаты адсорбции-десорбции QCM-D и морфология AFM продемонстрировали, что остаточные коагулянты могут вызывать изменения в поведении загрязнения мембраны, вызванного DOM. Загрязнение мембраны показало обратимость, зависимую от концентрации, и структурные преобразования.