Fouling membran półprzepuszczalnych podczas oczyszczania wody metodą ultra- i mikrofiltracji - przegląd piśmiennictwa

• Autorzy: Bodzek M. , Płatkowska A.

Warianty tytułu

EN

The fouling of semi-permeable membranes during water treatment by use of UF/MF proces - review

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Procesom membranowym uzdatniania wody i oczyszczania ścieków towarzyszy nieodłącznie zjawisko zmniejszania wydajności i żywotności membran zwane foulingiem. Pierwszym krokiem do ograniczenia foulingu jest poznanie natury tego zjawiska. Pozwalają na to dostępne techniki analityczne, takie jak: SEM, AFM, FTIR, HPSEC, analiza OWO, ASA, pomiar kąta zwilżenia oraz potencjału elektrokinetycznego membran czy też frakcjonowanie na żywicach XAD8/4. Stopień foulingu powodowanego przez NOM uzależniony jest m.in. od siły jonowej oraz pH. Zależy on w dużej mierze od właściwości filtrowanej wody, w tym hydrofilowości/hydrofobowości jej składników. Duża część badaczy obarcza frakcję hydrofobową odpowiedzialnością za fouling. Dla procesów niskociśnieniowych zaobserwowano wpływ rozmiaru cząstek filtrowanej frakcji (im mniejsze, tym większy obserwowany spadek strumienia oraz opór filtracji) na zjawisko foulingu. Zidentyfikowano 4 kategorie NOM, które uważane są za silne foulanty, a mianowicie białka, aminocukry, polisacharydy i związki poli(hydroksy-aromatyczne). Znaczenia ma również rodzaj membrany. W zdecydowanej większości prac zaobserwowano większą tendencję do foulingu w przypadku membran hydrofobowych niż hydrofilowych, co tłumaczono adsorpcją ujemnie naładowanych grup funkcyjnych NOM na dodatnio naładowanych powierzchniach membrany. Obecnie stosowane są różne procesy wstępnego przygotowania nadawy, mające na celu zwiększenie jakości wody i/lub wydajności membran. Koagulacja oraz adsorpcja na węglu aktywnym są polecane przy minimalizacji foulingu związanego z dużymi stężeniami poli(hydroksy-aromatów), proces utlenienia natomiast jest zalecany do zmniejszania foulingu powodowanego polisacharydami.

EN

During membrane water and wastewater processes reduction of capacity and membranes lifetime can be observed. Those phenomena are caused by membrane fouling. To limit the influence of fouling on the efficiency of membrane processes detailed recognition of its nature is required. This can be done using available analytical technologies like: electron microscopy (SEM, AFM), infrared spectroscopy (FTIR), high performance size exclusion chromatography (HPSEC), TOC analysis, atomic absorption spectroscopy (AAS), measurement of contact angle and zeta potential or fractionation on XAD8/4 resins. The influence of fouling caused by NOM mainly depends on ionic strength and pH, but also on properties of filtrated water, including hydophobicity/hydrophilicity of its components. Resent scientific reports suggest that the hydrophobic water fraction has a significant impact on fouling. Size of molecules of filtrated fraction is responsible for fouling occurring fouling during low-pressure membrane processes (the smallest size of molecules the highest flux decline). 4 categories of NOM, which are considered to be strong foulants, were identified. They include: proteins, aminosugars, polysaccharides and poly(hydroxy-aromatics). The membrane composing material also has a meaning. Hydrophobic membranes seem to have greater ability to fouling than hydrophilic ones. It can be explained by the fact, that the positively charged membrane surface tends to adsorb negatively charged functional groups of NOM. Nowadays different water pretreatment processes are applied. Their aim is to improve water quality and/or membrane capacity. Fouling caused by poly(hydroxyl-amines) can be minimized by coagulation or adsorption on activated carbon, while oxidation reduces the fouling induced by polysacharides.

Słowa kluczowe

PL

NOM; fouling; membrany; HPSEC; SEM/AFM; FTIR; koagulacja; PAC

EN

NOM; fouling; membranes; HPSEC; SEM/AFM; FTIR; coagulation; PAC

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 12, nr 1
• Strony: 5--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 64 poz.

Twórcy

autor

Bodzek M.

autor

Płatkowska A.

• Politechnika Śląska w Gliwicach, Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki,

Bibliografia

• [1] Bodzek M., Konieczny K., Wykorzystanie procesów membranowych w uzdatnianiu wody, Oficyna Wydawnicza Projprzem-Eko, Bydgoszcz 2005.
• [2] Amy G., Fundamental understading of organic matter fouling of membranes, Desalination 2008, 231, 44-51.
• [3] Katsoufidou K., Yiantsios S. G., Karabelas A. J., A study of ultrafiltration membrane fouling by humic acid and flux recovery by backwasching: Experiments and modeling, J. Membr. Sci. 2005, 266, 40-50.
• [4] Laine J.-M., Campos C., Baudin I., Janex M.-L., Understanding membrane fouling: A review of over a decade of research,, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, 351-361.
• [5] Lee E. K., Chen V., Fane A. G., Natural organic matter (NOM) fouling in low pressure membrane filtration - effect of membranes and operation modes, Desalination 2008, 218, 257-270.
• [6] Hörsch P., Gorenflo A., Fuder C., Deleage A., Frimmel F. H., Biofouling of ultra- and nanofiltration membranes for drinking water treatment characterized by fluorescence in situ hybridization (FISH), Desalination 2005, 172, 41-52.
• [7] Eikebrokk B., Gjessing E., Ødegaard H., Why NOM removal is important, Utilization of NOM characteristics to improve process selection and performance - workshop results, Wydawnictwo internetowe, Berlin 2001.
• [8] Kabsch-Korbutowicz M., Application of ultrafiltration in tegrated with coagulation for improved NOM removal, Desalination 2005, 174, 13-22.
• [9] Raczyk-Stanistawiak U., Świetlik J., Nawrocki J., Badania wpływu chloru, dwutlenku chloru i ozonu na stabilność biologiczną wody, Ochr. Środ. 2005, 3, 33-37.
• [10] Lee N., Amy G., Croue J.-P., Buisson H., Morphological analyses of natural organic matter fouling of low - pressure membranes (MF/UF), J. Membr. Sci. 2005, 261, 7-16.
• [11] Bessiere Y., Bacchin P., Jefferson B., Dead-end filtration of natural organic matter: experimental evidence of critical conditions, Desalination 2005, 175, 29-36.
• [12] Gladys M., Croude J.-P., Buisson H., Amy G., Legube B., Organic matter fouling of ultrafiltration membranes, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, 373-380.
• [13] Ho C. C., Zydney A. L., A combined pore blockage and cake filtration model for protein fouling during microfiltration, J. Coll. Interface Sci. 2000, 232, 299-389.
• [14] Yaun W., Kocic A., Zydney A. L., Analysis of humic acid fouling during microfiltration using a pore blockage-cake filtration model, J. Membr. Sci. 2002, 198, 51-62.
• [15] Kuberkar V. T., Davis R. H., Modeling of fouling reduction by secondary membranes, J. Membr. Sci. 2000, 168, 243-258.
• [16] Jung C-W., Son H-J., Kang L-S., Effects of membrane material and pretreatment coagulation on membrane fouling: fouling mechanism and NOM removal, Desalination 2006, 197, 154-164.
• [17] Katsoufidou K., Yiantsios S. G., Karabelas A. J., An experimental study of UF membrane fouling by humic acid and sodium alginate solutions: the effect of backwashing on flux recovery, Desalination 2008, 220, 214-227.
• [18] Kennedy M. D., Kamangi J., Heijman B. G. J., Amy G., Colloidal organic matter fouling of UF membranes: role of NOM composition and size, Desalination 2008, 220, 200-213.
• [19] Li C. W., Chen Y. S., Fouling of UF membrane by humic substance: Effect of molecular weight and powder activated carbon (PAC) pre-treatment, Desalination 2004, 170, 59-67.
• [20] Jacangelo J., Trusell R. R., Watson M. Role of membrane technology in drinking water treatment in United States, Desalination 1997, 113, 119-127.
• [21] Kim J. Y., Lee H. K., Kim S. C., Surface structure and phase separation mechanism of polysulfone membranes by atomic force microscopy J. Membr. Sci. 1999, 163, 159-166.
• [22] Yoon Y., Amy G., Cho J., Her N., Effects of retained natural organic matter (NOM) on NOM rejection and membrane flux decline with nanofiltration and ultrafiltration, Desalination 2005, 173, 209-221.
• [23] Lee S., Kim S., Cho J., Hoek E. M. V., Natural organic matter fouling due to foulant-membrane physicochemical interactions, Desalination 2007, 202, 377-384.
• [24] Qin J.-J., Oo M. H., Li Y., Hollow fiber ultraflltration membranes with enhanced flux for humic acid removal, J. Membr. Sci. 2005, 247, 119-125.
• [25] Zularisam A. W., Ismail A. F., Salim R., Behaviours of natural organic matter in membrane filtration for surface water treatment - a review, Desalination 2006, 194, 211-231.
• [26] Lee S , Kwon B., Sun M., Cho J., Characterization of NOM included in NF and UF membrane permeates. Desalination 2005, 173, 131-142.
• [27] Kwon B., Lee S., Gu M. B., Cho J., Minimization of membrane organic fouling and haloacetic acids formation by controlling amino sugars and/or polysaccharide-like substances included in colloidal NOM, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, 685-692.
• [28] Gray S. R., Ritchie C. B., Bolto B. A., Effect of fractionated NOM on low pressure membrane flux declines. Water Sci. Technol. 2004, 4, 189-196.
• [29] Kennedy M. D., Chun H. K., Quintanilla Yangali V. A., Heijman B. G. J.,Schippers J. C., Natural organic matter (NOM) fouling of ultrafiltration membranes: fractionation of NOM in surface water and characterisation by LC-OCD, Desalination 2005, 178, 73-83.
• [30] Nawrocki J., Oznaczanie ubocznych produktów dezynfekcji wody, dostępne na tp://www.pg.gda.pl/chem/CEEAM/Dokumenty/CEEAM_ksiazka_polska/Rozdzialy/rozdzial_021.pdf.
• [31] Jarusutthirak C., Amy G., Croue J.P., Fouling characteristics of wastewater effluent organic matter (EFOM) isolates on NF and UF membranes. Desalination 2002, 145, 247-255.
• [32] Jacquemet V., Gaval G., Rosenberger S., Lesjean B., Schrotter J. C, Towards a better characterisation and understanding of membrane fouling in water treatment, Desalination 2005, 178, 13-20.
• [33] Świetlik J., Raczyk-Stanisławiak M., Nawrocki J., Wpływ procesów utleniania i biodegradacji za zmianę struktury substancji organicznych naturalnie występujących w wodzie, Ochr. Środ. 2005, 3, 27-32.
• [34] Mozia S., Tomaszewska M., Morawski A. W., Studies on the effect of humic acids and phenol on adsorption - ultrafiltration process performance, Wat. Res. 2005, 39, 501-509.
• [35] Lee N., Amy G., Habarou H., Schrotter J-C., Identification and control of fouling of low-pressure (MF and UF) membranes by drinking water natural organic matter (NOM), Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, 677-683.
• [36] Cho I, Amy G., Pellegrino J., Membrane filtration of natural organic matter: initial comparison of rejection and flux decline characteristics with ultrafiltration and nanofiltration membranes, Water Res. 1999, 33, 11, 2517-2526.
• [37] Her N., Amy G., Foss D., Cho J., Yoon Y., Kosenka P., Optimization of method for detecting and characterizing NOM by HPLC-Size Exclusion Chromatography with UV and on-line DOC Detection, Environ. Sci. Technol. 2002, 36, 1069-1076.
• [38] Li Mo, Xia Huang, Fouling characteristics and cleaning strategies in a coagulation-microfiltration combination process for water purification, Desalination 2003, 159, 1-9.
• [39] Cho J., Amy G., Pellegrino J., Membrane filtration of natural organic matter: factors and mechanisms affecting rejection and flux decline with charged ultrafiltration membrane, J. Membr. Sci. 2000, 164, 89-110.
• [40] Fan L., Harris J. L., Roddick P., Booker N., Fouling of microfiltration membranes by the fractional components of natural organic matter in surface water, Water Sci. Technol. Water Supp. 2002, 2, 5-6, 313-320.
• [41] Doyen W., Vandaele R., Molenberghs B., Cromphout J., Bielen P., Baee B., Description of different effects of in-line coagulation upon semi-dead-end ultrafiltration, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, 501-508.
• [42] Hong S., Elimelech M., Chemical and physical aspects of natural organic matter (NOM) fouling of nanofiltration membrane, J. Membr. Sci., 1997, 132, 152-181.
• [43] Aoustin E., Schafer A. I., Fane A. G., Waite T. D., Ultrafiltration of natural organic matter, Sep. Purif. Technol. 2001, 22-23, 63-78.
• [44] Ghosh K., Schnitzer M., Macromolecular structure of humic substances. Soil Sci. 1980, 129, 266-276.
• [45] Bob M., Walker H. W., Enhanced adsorption of natural organic matter on calcium carbonate particles through surface charge modification, Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects 2001, 191, 17-25.
• [46] Park C., Lee Y. H., Lee S., Hong S., Effect of cake layer structure on colloidal fouling in reverse osmosis membranes, Desalination 2008, 220, 335-344.
• [47] Carroll T., King S., Gray R., Bolto A., Booker N. A., The fouling of microfiltration membranes by NOM after coagulation treatment, Water Res. 2000, 34, 11, 2861-2868.
• [48] Zularisam A.W., Ismail A. F., Salim M. R., Sakinah M., Ozaki H., The effects of natural organic matter (NOM) fractions on fouling characteristics and flux recovery of ultrafiltration membranes, Desalination 2007, 212, 191-208.
• [49] Bodzek M., Zawadzka D., Rajca M., Konieczny K., Badanie foulingu membran podczas oczyszczania wody metodą ultrafiltracji, Inż. i Ochr. Środ. 2007, 10, 249-267.
• [50] Rajca M., Bodzek M., Gembołyś B., Konieczny K., Wpływ własności hydrofilowo/hydrofobowych NOM na fouling membran w procesie oczyszczania wody metodą ultrafiltracji, Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Lublin 2008, 49, 215-222.
• [51] Costa A. R., de Pinho M. N., Effect of membrane pore size and solution chemistry on the ultrafiltration of humic substances solutions, J. Membr. Sci. 2005, 255, 49-56.
• [52] Nakatsuka S., Nakate L., Miyano T., Drinking water treatment by using ultrafiltration hollow fibre membranes, Desalination 1996, 106, 55-61.
• [53] Laine J. M., Hangstrom J. P., Clark M. M., Mallevialle J., Effect of ultrafiltration membrane composition, J. AWWA 1989, 81, 11, 61-67.
• [54] Childress A. E., Elimelech M., Effect of solution chemistry on the surface charge of polymeric reverse osmosis and nanofiltration, J. Membr. Sci. 1996, 119, 253-268.
• [55] Yuan W., Zydney A. L., Humic Acid Fouling during Ultrafiltration, Environmental Science and, Technology 2000, 34, 23, 5043-5050
• [56] Semmens M. J., Field T. K., Coagulation: experimences in organics removal, J. AWWA 1980, 72, 476-485.
• [57] Dempsey B. A., Ganho R. M., O'Melia C. R., The coagulation of humic substances by means of aluminium salts, J. AWWA 1984, 76, 141-150.
• [58] Caroll T., King S., Gray S. R., Bolto B. A., Booker N. A., The fouling of microfiltration by NOM after coagulation treatment, Wat. Res. 1999, 34, 2861-2868.
• [59] Kennedy M., Zhizhong L., Febrina E., Van Hoof S., Schippers J., Affects of coagulation on filtration mechanisms in dead-end ultrafiltration, Proceedings of Membranes in Drinking and Industrial Water Production MDIW 2002, Mulheim an der Ruhr, Germany 2002, ss. 185-192.
• [60] Choi K. Y., Dempsey B. A., In-line coagulation with low-pressure membrane filtration, Water Res. 2004, 38, 4271-4281.
• [61] Wiesner M. R., Aptel P., Mass transport and permeate flux and fouling in pressure driven process in: Water Treatment Membrane Processes (Mallevialle J., Odendaal P. E., Wiesner M. R.,Eds.), Mc-Graw-Hill, New York-San Francisco-Washington 1996, 4.1 - 4.30.
• [62] Tomaszewska M., Kontaktory membranowe, destylacja membranowa i możliwości ich wykorzystania w przemyśle, X Szkoła Membranowa, Rogów 2008 (materiały na nośniku elektronicznym).
• [63] Sadlej J., Spektroskopia molekularna, WNT, Warszawa 2002.
• [64] Rajca M., Uzdatnianie wody hybrydową metodą koagulacji i niskociśnieniowej filtracji membranowej, Praca doktorska, Politechnika Śląska, Gliwice 2008.