抽象

1.简介

膜污染是在水处理[膜应用的重要问题之一1，2 ]。膜污染导致膜通量降低和性能差。一些研究表明，天然有机物质（NOM）是饮用水中负责微滤膜污染（MF）或超滤（UF）主污物[ 3，4，5 ]。为了减少有机物质污染膜，活性炭吸附可能是一种选择[ 6，7，8 ]。

粉末活性炭（PAC）广泛用作水处理中的吸收剂。PAC具有用于NOM良好的吸附性能，因此它被采用作为预处理，以减少膜污染和提高膜性能[ 9，10，11 ]。然而，对于提高膜性能的PAC的效率获得了不同的结论。一些研究表明，PAC可以增强膜通量当PAC保持膜[表面12，13，14 ]。Mozia 等。提出PAC悬浮在PAC / UF系统的进料中的作用是吸附低分子量腐殖酸（HA）。该膜提供了阻止PAC通过的物理屏障，从而确保了吸附在PAC上的有机化合物的保留[ 15 ]。Matsui 等人。发现PAC导致形成更大的絮凝颗粒，并且通过PAC预处理减轻了每个过滤周期中可逆的TMP增加[ 16 ]。NOM在耦合超细PAC /微滤膜过程中的作用研究表明，NOM被证明是膜污染的主要罪魁祸首，超细PAC实际上与单独的NOM相比减少了污垢[ 17]]。然而，一些研究人员报道说，PAC的存在加重膜污染或对膜通量[无影响18，19，20 ]。Filloux 等。发现在反冲洗水中观察到PAC颗粒，因为它们可能在污垢层生长过程中积累[ 18 ]。坎皮纳斯等人。（2010）得出结论，PAC既不促进也不控制膜可逆污垢[ 20 ]。

在该研究中，PAC用作MF膜之前的预处理以处理地表水。该实验的主要目的是研究PAC对膜性能的影响，特别关注PAC-MF工艺对有机物的去除率和膜通量的改善。

2.实验方法

2.2。微滤过滤程序

MF处理装置如图1所示。在该实验中使用的膜是聚偏二氟乙烯（PVDF）中空纤维MF膜，标称孔径为0.1μm和75cm 2表面积（Toray，Tokyo，Japan）。MF膜以死端和输入操作模式进行。MF实验装置包括N 2压力缸，给水蓄水池，膜组件，废水池，化学清洗池和蠕动泵。通过N 2供给给水储水器中的水样进入膜组件。使用给水箱底部的磁力搅拌器使给水完全混合。过滤过程在0.1MPa的压力下进行。当过滤800mL溶液时，过滤完成，然后进行化学清洗以恢复膜通量。化学清洗过程包括两个步骤：将1％草酸和5g / L次氯酸钠用蠕动泵压入MF膜组件并循环清洗膜2小时。

 

图1

微滤（MF）过滤装置的示意图。

3.结果

3.1。DOC和UV 254去除PAC和MF工艺的效率

在通过MF膜吸附PAC的原水后，DOC和UV 254的效率如图2所示。从图中可以看出，PAC具有较高的DOC去除率。在PAC剂量为10-200mg / L期间，DOC去除率从3.0％增加到59.8％。当MF膜在PAC吸附后过滤水样时，渗透物的DOC去除率从21.1％稳定增加到62.2％。然而，随着PAC剂量的增加，MF膜去除DOC略有增加。

 

图2

通过粉末活性炭（PAC）/ MF工艺在254nm（UV 254）下的DOC和紫外吸收的效率。

与DOC相比，获得了高的UV 254去除率。随着PAC剂量从10 mg / L增加到200 mg / L，紫外吸光度从10.1％增加到70.3％。类似于MF过滤后DOC的去除速率，PAC剂量越高，MF膜去除UV 254越低。PAC很可能通过高PAC剂量获得DOC和UV 254的高去除率，并且可以通过膜去除很少的残留有机物质。

3.2。PAC对分子量分布的影响

具有不同PAC剂量的有机物分子量（MW）分布显示在图3中。随着PAC用量的增加，有机质的分子量减少约3-5 kDa是明显的，特别是在约3 kDa的有机物质。当PAC用量增加到200 mg / L时，原水中有机物的一半，3-5 kDa的分子量急剧下降。对于约0.2kDa的有机物，PAC没有影响。一些研究表明，PAC选择性地吸附具有低MW和由PAC [easilyadsorbed亲水性的有机物质23，24 ]。因此，PAC大部分去除了少于3kDa MW的有机物质。刘等人。还发现PAC主要去除0.5-1 kDa和1-3 kDa MW有机物，对小于0.5 kDa没有影响，这与本研究中PAC吸附的有机物MW相似[ 25 ]。

 

图3

PAC对有机物分子量分布的影响。

PAC / MF过滤的有机物的分子量分布如图4所示。从图中可以看出，PAC对有机MW有显着影响。与PAC相比，MF膜过滤对MW轻微影响很小，这与图2中 PAC的有机物去除相似。对于MF膜，大约5kDa MW的有机物被除去的量超过3kDa。似乎MF膜倾向于去除较高MW的有机物质。

 

图4

PAC和MF对有机物分子量分布的影响。

3.3。PAC对膜通量的影响

在该研究中，膜通量（J）与纯水通量（J 0）的比率用于识别膜通量。图5显示了PAC对膜通量的影响。从图5中可以看出，无论添加何种剂量的PAC，PAC几乎没有增强膜通量的效果。即使加入200 mg / L PAC，在过滤800 mL水样后，J / J 0降至22.4％。当原水通过没有PAC吸附的MF膜时，J / J 0降至20.8％。关于通过PAC去除有机物质的上述结果表明PAC导致高有机物质的去除，这是低MW有机物。这种低MW有机物的尺寸可能小于膜孔的尺寸，并且不会沉积在膜表面上，因此不会导致膜污染。显然，通过PAC吸附不能除去导致膜污染的有机物质。李等人。还发现PAC预处理会增强有机物的去除，但同时会增加膜污染。被PAC吸附的NOM部分可能不会在膜上引起很多污垢[ 26]。

 

图5

不同PAC剂量的膜通量变化。

4。讨论

在上述研究中，PAC对有机物的去除率很高。然而，即使在200mg / L的非常高剂量下，PAC也不能改善膜通量。原水的有机物的MW浓度为2-7kDa，特别是3-5kDa。PAC吸附的有机物浓度约为3 kDa MW。显然，PAC对较高MW的有机物质几乎没有影响。

在该研究中，MF膜过滤后原水的疏水性/亲水性的变化如图6所示。可以看出MF膜主要去除疏水性有机物。图7表明了膜过滤前后原水中不同MW有机物的疏水性/亲水性的变化。膜过滤后，疏水性有机物的比例显着下降，尤其是2-7 kDa MW的有机物。相反，亲水性有机物的比例明显增加。在该研究中，使用亲水性PVDF膜。结果，疏水物质不能通过膜并停留在膜表面上。亲水性有机物容易通过膜，渗透物中亲水性有机物的比例显着增加。似乎有机物污染的膜是疏水性有机物质，其集中在2-7kDa MW。PAC仅部分吸附2-7kDa MW有机物并略微促进膜污染。

 

图6

原水过滤膜过滤的有机疏水性/亲水性的变化。

 

图7

膜过滤前后原水中有机物分子量（MW）的变化。

5。结论

在这项研究中，PAC被用作MF膜工艺的预处理，以去除有机物质并减少膜污染。PAC提供更高的DOC和UV 254去除率。在20-200mg / L PAC剂量下，DOC去除率为3.0％-59.8％，UV 254去除率为10.1％-70.3％。然而，PAC吸附后MF膜的有机物去除率相对较低。PAC剂量越高，MF的有机物去除率越低。原水中的有机物MW浓度为2-7kDa，特别是3-5kDa。与5kDa MW的情况相比，PAC去除了3kDa MW的有机物质。在PAC吸附后，膜移除了比3kDa MW更多的5kDa MW。

即使在200 mg / L PAC剂量下，PAC也能略微改善膜通量，无论PAC是否显着去除有机物质。PAC吸附的有机物含量低于3 kDa MW，这不是造成膜污染的主要原因。在黄浦江原水中，有机物污垢膜是疏水性较高的MW有机物。PAC不能显着去除这些有机物质，因此它可以略微减少膜污染。