Fit-for-Purpose Design of Nanofiltration Membranes for Simultaneous Nutrient Recovery and Micropollutant Removal

纳滤 渗透 化学工程 界面聚合 化学 废水 聚乙烯亚胺 表面电荷 色谱法 环境工程 膜技术 单体 聚合物 有机化学 环境科学 转染 生物化学 基因 工程类 物理化学
作者
Yangying Zhao,Xin Tong,Yongsheng Chen
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (5): 3352-3361 被引量:120
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c08101
摘要

Domestic wastewater is a valuable reservoir of nutrients such as nitrogen and phosphorus. However, the presence of emerging micropollutants (EMPs) hinders its applications in resource recovery. In this study, we designed and fabricated a novel thin-film composite polyamide membrane, which enables highly selective nanofiltration (NF) that removes EMPs effectively while preserving valuable nutrients in the permeate. By incorporating polyethylenimine as an additional monomer to piperazine and surfactant sodium dodecyl sulfate in interfacial polymerization, we precisely tuned membrane pore size, pore size distribution, and surface charge. The resultant NF membrane achieved desirable solute-solute selectivity between EMPs (rejection rate > 75%) and nutrient N and P ions (rejection rate < 25%). By applying a modified Donnan steric pore model with dielectric exclusion, which takes membrane pore size distribution into consideration, we demonstrate the synergistic effect of membrane pore size, pore size distribution, and surface charge in regulating membrane solute-solute selectivity. Designing solute-solute selective NF membranes for fit-for-purpose wastewater treatment has great potential to improve the flexibility of membrane technologies that can convert wastewater streams to valuable water and nutrient resources.
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