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Three-Dimensional Analysis of the Natural-Organic-Matter Distribution in the Cake Layer to Precisely Reveal Ultrafiltration Fouling Mechanisms

结垢 膜污染 化学工程 化学 超滤(肾) 图层(电子) 多糖 色谱法 有机质 腐植酸 有机化学 生物化学 工程类 肥料
作者
Siqi Wu,Xin Hua,Baiwen Ma,Hongwei Fan,Rui Miao,Mathias Ulbricht,Chengzhi Hu,Jiuhui Qu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (8): 5442-5452 被引量:77
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c00435
摘要

Cake layer formation is the dominant ultrafiltration membrane fouling mechanism after long-term operation. However, precisely analyzing the cake-layer structure still remains a challenge due to its thinness (micro/nano scale). Herein, based on the excellent depth-resolution and foulant-discrimination of time-of-flight secondary ion mass spectrometry, a three-dimensional analysis of the cake-layer structure caused by natural organic matter was achieved at lower nanoscale for the first time. When humic substances or polysaccharides coexisted with proteins separately, a homogeneous cake layer was formed due to their interactions. Consequently, membrane fouling resistances induced by proteins were reduced by humic substances or polysaccharides, leading to a high flux. However, when humic substances and polysaccharides coexisted, a sandwich-like cake layer was formed owing to the asynchronous deposition based on molecular dynamics simulations. As a result, membrane fouling resistances were superimposed, and the flux was low. Furthermore, it is interesting that cake-layer structures were relatively stable under common UF operating conditions (i.e., concentration and stirring). These findings better elucidate membrane fouling mechanisms of different natural-organic-matter mixtures. Moreover, it is demonstrated that membrane fouling seems lower with a more homogeneous cake layer, and humic substances or polysaccharides play a critical role. Therefore, regulating the cake-layer structure by feed pretreatment scientifically based on proven mechanisms should be an efficient membrane-fouling-control strategy.
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