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Electro-Enhanced Separation of Microsized Oil-in-Water Emulsions via Metallic Membranes: Performance and Mechanistic Insights

结垢 生物污染 化学工程 浓差极化 乳状液 膜污染 聚结(物理) 膜技术 油滴 材料科学 表面张力 吸附 化学 有机化学 量子力学 生物化学 物理 天体生物学 工程类
作者
Yongxuan Shi,Qifeng Zheng,Liujie Ding,Fenglin Yang,Wenbiao Jin,Chuyang Y. Tang,Yingchao Dong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (7): 4518-4530 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c00336
摘要

Conventional separation membranes suffer from evitable fouling and flux decrease for water treatment applications. Herein, a novel protocol of electro-enhanced membrane separation is proposed for the efficient treatment of microsized emulsions (∼1 μm) by rationally designing robust electroresponsive copper metallic membranes, which could mitigate oil fouling and coenhance permeance (from ∼1026 to ∼2516 L·m –2 ·h –1 ·bar –1 ) and rejection (from ∼87 to ∼98%). High-flux Cu membranes exhibit superior ductility and electrical conductivity, enabling promising electroactivity. Separation performance and the fouling mechanism were studied under different electrical potentials and ionic strengths. Application of negative polarization into a large-pore (∼2.1 μm) Cu membrane is favorable to not only almost completely reject smaller-sized oil droplets (∼1 μm) but also achieve antifouling and anticorrosion functions. Moreover, surfactants around oil droplets might be redistributed due to electrostatic repulsion, which effectively enhances the steric hindrance effect between neighboring oil droplets, mitigating oil coalescence and consequently membrane fouling. Furthermore, due to the screening effect of surfactants, the presence of low-concentration salts increases the adsorption of surfactants at the oil–water interface, thus preventing oil coalescence via decreasing oil–water interfacial tension. However, under high ionic strengths, the fouling mechanism converts from cake filtration to a complete blocking model due to the reduced electrostatic repulsion between the Cu membrane and oil droplets. This work would provide mechanistic insights into electro-enhanced antifouling for not only oil emulsion separation but also more water treatment applications using rationally designed novel electroresponsive membranes.
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