预沉积碳纳米管/纳米纤维膜改善饮用水超滤膜性能的研究外文翻译资料

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附录A 译文

光化层

预沉积碳纳米管/纳米纤维膜改善饮用水超滤膜性能的研究

Xiaoxiang Cheng,Weiwei Zhou,Peijie Li,Zixiao Ren ,Daoji Wu,Congwei Luo,Xiaobin Tang,Jinlong Wang,Heng Liang.

a School of Municipal and Environmental Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan, 250101, PR China

b Shandong Co-Innovation Center of Green Building, Jinan, 250101, PR China

c Shandong Urban Construction Vocational College, Jinan, 250103, PR China

d State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin, 150090, PR China

主要亮点

用碳纳米管和纳米碳纤维涂层预沉积UF膜。

碳纳米管和纳米碳纤维层提高了有机污染物的排斥率。

天然有机物分数和涂层质量对污垢的控制效率有显著影响。

通过预吸附和粒径排除将污染物保留在涂层中。

在处理天然地表水时，碳纳米管表现出比纳米碳纤维更好的性能。

图文摘要

文章资讯

文章历史：

于2019年5月12日收到初稿

于2019年6月9日收到修改稿

于2019年6月12日采纳

于2019年6月14日在网站发布

经办编辑：Y Yeomin Yoon

摘要

To efficiently improve the performance of ultrafiltration (UF) membrane for drinking water treatment, carbon nanotubes (CNTs) and carbon nanofibers (CNFs) were utilized as pre-deposited coating layers on membrane surface. A comparative study between these two carbon nanomaterials for enhancing pollutants removal and mitigating membrane fouling induced by natural organic matter (NOM) was carried out. The surface morphologies were characterized by scanning electron microscopy, and the results indicated that the CNTs coating layer was more dense and homogeneous with a smaller pore size than that of CNFs. The removal and antifouling performance of CNTs/CNFs coated membranes were investigated with typical NOM, i.e., humic acid, bovine serum albumin, sodium alginate, as well as natural surface water. The results showed that the presence of coating layers was very effective to improve the rejection rate of NOM, among which CNTs exhibited significant better performance than CNFs. The fouling control performance was influenced by the NOM fraction and coating mass (6e50 g/m2). Generally, CNTs coating layer was more efficient in alleviating both reversible and irreversible membrane fouling, while CNFs exhibited limited effect on irreversible fouling control. Both pre-adsorption and size exclusion contributed to the rejection of membrane foulants, thus reducing the organics directly contacted with the underlying membrane. In natural surface water treatment, the pre-deposited coating layers significantly delayed the transition of fouling mechanisms from pore blocking to cake filtration.

为了有效提高超滤膜处理饮用水的性能，采用碳纳米管(CNTs)和碳纳米纤维(CNFs)作为膜表面预沉积的涂层。对两种碳纳米材料在增强膜污染物去除和减轻天然有机物(NOM)引起的膜污染方面进行了比较研究。通过扫描电镜对其表面形貌进行表征，结果表明，CNTs包覆层比CNFs致密均匀，孔径较小。研究了CNTs/CNFs包覆膜的去除和防污性能。、腐殖酸、牛血清白蛋白、海藻酸钠以及天然地表水。结果表明，涂层的存在可以有效提高NOM的截留率，其中CNTs的截留性能明显优于CNFs。NOM分数和涂层质量(6e50 g/m)对污垢控制性能有显著影响2)。总体而言，碳纳米管涂层在缓解可逆和不可逆膜污染方面都更有效，而CNFs对不可逆膜污染的控制效果有限。预吸附和粒径排斥均有助于对膜污染物的排斥，从而减少了直接与膜接触的有机物。在自然地表水处理中，预沉积的涂层显著延缓了污垢机制从孔隙堵塞向滤饼过滤的转变。

关键词:

Ultrafiltration (UF) membrane fouling：超滤膜污染

Carbon nanotubes (CNTs)：碳纳米管

Carbon nanofibers (CNFs)：纳米碳纤维

Natural organic matter (NOM)：天然有机物（NOM）

Drinking water treatment：饮用水处理

通讯作者

通讯作者:School of Municipal and Environmental Engineering,

Shandong Jianzhu University, Jinan, 250101, PR China.

E-mail addresses: wdj@sdjzu.edu.cn (D. Wu), hitliangheng@163.com (H. Liang).

Contents lists available at ScienceDirect

Chemosphere

journal homepage: www.elsevier.com/locate/chemosphere

https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.06.090

0045-6535/copy; 2019 Elsevier Ltd. All rights reserved.

1.介绍

超滤(UF)膜由于具有较高的截留污染物和改善水质的能力，在近几十年被广泛应用于饮用水的处理中(Jermann 等人，2008b;Wang 等人，2018)。尽管具有优异的截留性能，但因为其本身仍存在的一些问题限制了对超滤膜更进一步的广泛应用，其中最显著的问题是膜污染(Van Geluwe 等人，2011;Chang等人，2017;Shao等，2018)。膜污染会影响到膜处理过程中的能量消耗和可靠性，是膜处理运行过程中的主要限制因素。在各类膜污染物中，天然有机物(NOM)通常被认为是影响最大的膜污染物之一(Yoon 等人，2005;Tian等，2018;Shao等，2019)。NOM广泛存在于天然水体中，由多种组分组成，其中腐殖质类物质和生物聚合物(如蛋白质物质和多糖)被认为是膜污染的主要成分(Zhan等人，2015;Sillanpaa等，2018)。为解决膜污染问题，研究人员作出了很大的努力。广泛采用的策略包括给水预处理(如混凝(Yu 等人，2013)、吸附(Ding 等人，2018)、氧化(Li 等人，2019)等)、操作条件优化(Gao 等人， 2011)和膜改性(Ajmani等人，2012)。其中，从材料科学的角度来看，膜改性在有效控制膜污染策略中，是一种较有前景的选择。

广泛使用的膜改性方法包括本体改性、共混和表面涂层(Asatekin 等人.， 2007;zhao等，2013;Bai等人，2015;Chu等，2017)。在之前的研究中(Fan 等人.， 2008)，采用聚苯胺纳米纤维与聚砜超滤膜共混，提高水处理过程中的亲水性和防污性能。Celik等人(2011b)采用相反转法合成了多壁碳纳米管/聚醚砜共混膜，有效缓解了天然水对膜的污染。然而，尽管通过共混改性可以提高防污性能，但纳米粒子从复合膜中释放会引起人们对水质健康和安全方面的担忧(Dreher, 2004;Lam等人，2006;Ren 等人，2011)。此外，改性膜在水处理过程中仍不可避免地与污染物直接接触，导致在长期运行中不可避免地产生污染。表面涂层是提高膜防污性能的另一种有吸引力的选择(Du 等人，2009)。与共混改性相比，表面涂布更容易、更简单，可以直接在市场上销售的膜表面使用(Kang and Cao, 2012)。涂膜层可以防止膜与污染物直接接触，从而显著控制膜污染，特别是长期运行时。由于超滤膜具有纳米级的孔径，涂层可以被膜完全拦截，从而最大限度地避免了纳米颗粒渗漏到渗透水中。Cai等人(2013)发现，通过预沉积，膜污染可以被大大减轻

吸附剂颗粒层(即，加热氧化铝和粉状活性炭)的膜表面，因为去除了预沉积层中的污染物。而且，预沉积步骤仅在安装初期进行，在运行过程中，沉积的涂层层可以在膜表面保持稳定，无需任何物理或化学清洗。因此，该方法非常适合于分散水处理。Shao等人(2017)报道了吸附剂层的存在(即:膜表面活性剂(粉状活性炭、阴离子交换树脂)显著提高了分散式饮用水处理性能。

在用于表面涂层的各种材料中，碳纳米管(CNTs)由于其一维管状结构和高表面积体积比，是有效控制膜污染优先考虑的替代品(Celik等人，2011a;Ajmani等人，2012年;Bai等人，2015)。Ajmani等人(2012)研究了利用不同理化性质的CNTs对低压膜进行表面涂层改性。可以观察到，CNTs层降低了污染物到达膜的浓度，从而提高了膜的防污性能，特别是使用更大尺寸的CNTs时。由于具有良好的物理和化学性能，碳纳米纤维(CNFs)作为膜涂层材料在减轻膜污染方面也有着很大的潜力。在Liu等人(2018)的研究中，利用来自细菌纤维素的CNF作为膜表面的预沉积涂层，其合成的膜被证明在控制模型有机物引起的膜污染方面是有效的。然而，CNF包覆膜控制膜污染的研究仍然有限，需要进一步开展系统研究，探索CNF包覆膜在饮用水处理中的潜在应用。值得注意的是，CNTs和CNFs之间存在显著的结构差异，这可能会影响其作为膜污染控制表面涂层的性能和机理。然而，据我们所知，这两种涂层材料在减轻膜污染方面的直接比较迄今还没有相关的报道。此外，不同NOM组分在水中的污染特性不同，这可能会影响膜的防污性能。因此，对CNTs和CNFs涂层膜的全面认识还需要进一步的相关研究。

在本研究中，我们对作为膜表面预沉积涂层的CNTs和CNFs进行了比较研究。三种模型有机化合物，即以腐植酸(HA)、牛血清白蛋白(BSA)和海藻酸钠(SA)为材料，研究了NOM组分对膜防污性能的影响。通过膜通量下降、可逆和不可逆污染阻力分析、扫描电镜(SEM)观察对膜污染进行评价。此外，还对其在自然地表水处理中的应用进行了研究。实验结果有望说明预沉积CNTs/CNFs层在饮用水处理过程中提高膜性能的可行性。

2.材料和方法

2.1材料

多壁碳纳米管和CNF来自赛博电化学有限公司(天津，中国)，供应

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