응고 전 한외여과의 오염에 대한 Fe3O4 나노입자의 기여

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 13067(2015) 이 기사 인용

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응집(FeCl3)-한외여과 공정은 Fe3O4 나노입자 오염물질이 존재하거나 존재하지 않는 두 개의 서로 다른 원수를 처리하는 데 사용되었습니다. 원수에 Fe3O4 나노입자가 존재하면 비가역적 및 가역적 막 오염이 모두 증가하는 것으로 나타났습니다. 막횡단압(TMP) 증가는 두 원수 모두 막 작동 초기 단계에서 유사했지만, Fe3O4 나노입자가 포함된 원수에서는 약 15일 후에 급격히 증가하여 생물학적 효과가 있음을 시사합니다. Fe3O4 나노입자의 존재로 인해 향상된 미생물 활성은 세포외 고분자 물질(EPS)과 디옥시리보핵산(DNA)의 농도와 형광 강도 측정을 통해 분명해졌습니다. Fe3O4 나노입자가 케이크층에 축적되어 박테리아 성장을 증가시킨 것으로 추측됩니다. 박테리아 성장과 관련된 것은 응고제 플록과의 결합을 강화하는 EPS의 생산입니다. EPS는 Fe3O4-CUF 케이크 층의 더 작은 크기의 나노 크기 1차 입자와 함께 더 낮은 다공성, 더 탄력적인 케이크 층 및 막 기공 막힘을 형성했습니다.

한외여과(UF) 멤브레인 시스템은 특히 박테리아와 바이러스 제거를 위해 고품질 식수를 경제적으로 생산할 수 있는 능력으로 인해 지하수 및 지표수 처리에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 그러나 일반적으로 휴믹산과 풀빅산, 단백질 및 탄수화물의 복잡한 혼합물로 구성된 이러한 물에 천연 유기물(NOM)이 존재하면 주요 막 오염물질로 간주됩니다1,2. 특히 단백질 유사 및 다당류 유사 물질3,4과 같은 생체고분자 함량과 관련하여 이러한 유기 물질의 존재와 장기간 UF 작업에 대한 돌이킬 수 없는 오염 속도 사이에 상당히 좋은 상관관계가 나타났습니다. 일부 연구자들은 유기물 다음으로 산화제2철과 실리카가 가장 흔한 오염물질이고, 알루미나와 황산칼슘이 그 뒤를 따른다는 결론을 내렸습니다5.

최근 상업용 나노입자의 사용이 증가하는 추세가 뚜렷하며, 나노입자가 대규모로 합성 및 사용됨에 따라 관련 환경 문제에 대한 우려가 커지고 있으며, 이로 인해 물 방출과 같은 자연 수역이 오염될 수 있습니다. 분산형 변형 Fe3O4 나노입자6. 예를 들어, 의류 품목에 포함된 일부 나노입자는 물로 방출되어 이후 폐수 처리장(WWTP)의 운영에 영향을 미칠 수 있습니다7. 추가적인 우려 사항은 나노입자가 독성 금속을 흡수하거나 통합하고 독소를 하류로 운반할 수 있다는 것입니다8. 따라서 오염된 물에서 이러한 나노입자를 제거하는 것이 매우 중요하며 입자 분리 공정인 막 여과가 원칙적으로 효과적인 방법입니다. 그러나 나노입자의 크기가 한외여과 막 공극의 크기에 가깝기 때문에 나노입자가 막 오염을 악화시킬 수 있는 가능성이 있습니다.

막 오염을 제어하고 나노입자를 제거하기 위해 이온 교환(IX)9 및 산화철 코팅10 등 유기 오염 물질과 나노입자가 막에 도달하는 것을 방지하기 위한 많은 방법이 사용되었습니다. "인라인" 화학적 응고 또는 응고-수압 응집은 일반적인 수질을 개선할 뿐만 아니라 막 오염을 제어하는 ​​효과적인 방법인 것으로 나타났습니다11,12,13. 폴리염화알루미늄을 첨가하면 이러한 구성 요소에 의한 수력학적으로 비가역적인 오염을 줄이는 데 긍정적인 영향을 미쳤습니다3. 그러나 응고 과정은 케이크 층을 생성하며 많은 실험 연구와 실제 작업을 통해 케이크 층 형성이 막 오염의 주요 원인인 것으로 나타났습니다14,15,16. 따라서 케이크 층의 특성, 특히 세포외 고분자 물질(EPS)과 박테리아의 존재 여부를 조사해야 합니다.