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Electrospraying Zwitterionic Copolymers as an Effective Biofouling Control for Accurate and Continuous Monitoring of Wastewater Dynamics in a Real-Time and Long-Term Manner

生物污染 涂层 甲基丙烯酸酯 结垢 环境科学 计算机科学 材料科学 废水 化学工程 工艺工程 模拟 生物系统 化学 共聚物 环境工程 纳米技术 复合材料 工程类 聚合物 生物化学 生物
作者
Yuankai Huang,Xin Qian,Xingyu Wang,Tianbao Wang,Samuel J. Lounder,Tulasi Ravindran,Zoe Demitrack,Jeffrey R. McCutcheon,Ayşe Asatekin,Baikun Li
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (12): 8176-8186 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c01501
摘要

Long-term continuous monitoring (LTCM) of water quality can provide high-fidelity datasets essential for executing swift control and enhancing system efficiency. One roadblock for LTCM using solid-state ion-selective electrode (S-ISE) sensors is biofouling on the sensor surface, which perturbs analyte mass transfer and deteriorates the sensor reading accuracy. This study advanced the anti-biofouling property of S-ISE sensors through precisely coating a self-assembled channel-type zwitterionic copolymer poly(trifluoroethyl methacrylate-random-sulfobetaine methacrylate) (PTFEMA-r-SBMA) on the sensor surface using electrospray. The PTFEMA-r-SBMA membrane exhibits exceptional permeability and selectivity to primary ions in water solutions. NH4+ S-ISE sensors with this anti-fouling zwitterionic layer were examined in real wastewater for 55 days consecutively, exhibiting sensitivity close to the theoretical value (59.18 mV/dec) and long-term stability (error <4 mg/L). Furthermore, a denoising data processing algorithm (DDPA) was developed to further improve the sensor accuracy, reducing the S-ISE sensor error to only 1.2 mg/L after 50 days of real wastewater analysis. Based on the dynamic energy cost function and carbon footprint models, LTCM is expected to save 44.9% NH4+ discharge, 12.8% energy consumption, and 26.7% greenhouse emission under normal operational conditions. This study unveils an innovative LTCM methodology by integrating advanced materials (anti-fouling layer coating) with sensor data processing (DDPA).
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