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

Abstract

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.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