凝固前処理による限外濾過の汚れに対する Fe3O4 ナノ粒子の寄与

Scientific Reports volume 5、記事番号: 13067 (2015) この記事を引用

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メトリクスの詳細

凝固 (FeCl3) 限外濾過プロセスを使用して、Fe3O4 ナノ粒子汚染物質の存在あり/なしで 2 つの異なる原水を処理しました。 原水中に Fe3O4 ナノ粒子が存在すると、不可逆的および可逆的な膜ファウリングが増加することが判明しました。 膜貫通圧力 (TMP) の増加は、両方の原水の膜運転の初期段階では同様でしたが、Fe3O4 ナノ粒子を含む原水では約 15 日後に急速に増加し、生物学的効果の関与が示唆されました。 Fe3O4 ナノ粒子の存在による微生物活性の増強は、細胞外高分子物質 (EPS) およびデオキシリボ核酸 (DNA) の濃度測定と蛍光強度から明らかでした。 Fe3O4 ナノ粒子がケーキ層に蓄積し、細菌の増殖が増加したと推測されます。 細菌の増殖に関連して、凝固剤フロックとの結合および凝固剤フロック間の結合を強化する EPS が生成されます。 EPS は、Fe3O4-CUF ケーキ層のより小さいサイズのナノスケール一次粒子と組み合わせることで、より低い多孔性、より弾力性のあるケーキ層の形成と膜細孔の閉塞をもたらしました。

限外濾過 (UF) 膜システムは、特に細菌やウイルスの除去のために高品質の飲料水を経済的に生産できるため、地下水や地表水の処理にますます応用されています。 しかし、そのような水中の天然有機物 (NOM) の存在は、通常、フミン酸とフルボ酸、タンパク質、炭水化物の複雑な混合物で構成され、主要な膜汚れであると考えられています 1,2。 これらの有機物質の存在と、特にタンパク質様物質や多糖様物質などの生体高分子含有量に関して、長期の UF 操作における不可逆的な汚れの割合との間には、かなり良好な相関関係が示されています 3,4。 一部の研究者は、有機物の次に酸化第二鉄とシリカが次に最も一般的な汚染物質であり、アルミナと硫酸カルシウムがそれに続くと結論付けています5。

近年、市販のナノ粒子の使用が増加する傾向が明らかであり、ナノ粒子が大規模に合成および使用され、水の放出などによる天然水域の汚染につながるため、関連する環境問題に対する懸念が高まっています。分散修飾Fe3O4ナノ粒子6． たとえば、衣料品に組み込まれた一部のナノ粒子は水中に放出され、その後下水処理プラント (WWTP) の稼働に影響を与える可能性があります 7。 さらに懸念されるのは、ナノ粒子が有毒金属を吸着または取り込み、毒素を下流に運ぶ可能性があることです8。 したがって、これらのナノ粒子を汚染水から除去することは非常に重要であり、粒子分離プロセスとしての膜濾過は原理的には効果的な方法である。 ただし、ナノ粒子のサイズは限外濾過膜の孔のサイズに近いため、ナノ粒子が膜の汚れを悪化させる可能性があります。

膜の汚れを制御し、ナノ粒子を除去するために、イオン交換 (IX)9 や酸化鉄のコーティング 10 など、有機汚れ物質やナノ粒子が膜に到達するのを防ぐ多くの方法が使用されてきました。 「インライン」化学凝固または凝固水力凝集は、一般的な水質を改善するだけでなく、膜汚れを制御する効果的な方法であることが示されています11、12、13。 ポリ塩化アルミニウムの添加は、これらの成分による水圧的に不可逆的な汚れの減少にプラスの効果をもたらしました3。 しかし、凝固プロセスではケーキ層が生成され、多くの実験研究や実際の操作では、ケーキ層の形成が膜ファウリングの主な原因であることが示されています14、15、16。 したがって、ケーキ層の特性、特に細胞外高分子物質 (EPS) と細菌の存在を調査する必要があります。