NOM and TEP fouling of a forward osmosis (FO) membrane: Foulant identification and cleaning

a b s t r a c t The studyofforwardosmosis(FO)membraneshasincreasedduetothealreadydemonstrated advantagescomparedtohigh-energymembraneprocessessuchasreverseosmosis(RO).Thisresearch focusesoncharacterizationofthenaturalorganicmatter(NOM)fractioncausingfoulingontheactive layer (AL)ofaFOmembraneinanovelplateandframemoduleconfiguration,facingsecondary wastewatereffluentasafeedsolution(FS)andseawaterusedasadrawsolution(DS).Inaddition, transparentexopolymerparticles(TEP)wereobservedonthesupportlayer(SL)ofthemembranein contactwiththeDS.TheNOMfoulinglayer,aftercharacterizingthewatersamplesandmembranes used,wasfoundtobecomposedofbiopolymersandprotein-likesubstances,whichadverselyaffectthe flux ofwaterthroughtheFOmembrane.However,NOMfoulingshowedhighreversibility,upto90% when airscouringfor15minisusedasacleaningtechnique.Theirreversiblefoulinginthisworkwas foundtobe8.2%afterchemicalcleaning.Onthesupportlayerofthemembrane,TEPformedclusters clearlyidentifiablewithanopticalmicroscopeandaTEPspecificdye.Chemicalcleaningwith1%NaOCl for 10minprovedtobethemosteffectivemethodtoremoveTEP

1. Introduction Forward osmosis(FO),anosmotic-drivenmembraneprocess, has beengainingattentionforbeingalow-energyalternativefor several applicationsusuallyperformedbypressure-drivenmem- branes, suchasreverseosmosis(RO)andnanofiltration(NF). Recent studieshavefocusedontheuseofforwardosmosis(FO) membranes foroil/gasdrillingwastewaterreclamation,landfill leachate treatment [1] and waterdesalination [2].

Natural organicmatter(NOM)foundinwaterhasbeenshown to beaseriousfoulingagentforROandNFmembranes [3–6]. Holloway etal. [7] compared thefoulingbehaviorofFOandRO for wastewaterconcentratetreatment,anddemonstrateda slower fluxdeclinerateinFOthaninRO.Mietal. [8] studied organic foulingofFOmembranescausedbysodiumalginate (simulating polysaccharidesinwastewater).Theyshowedthat for osmoticpressureprocesses,wherethereisnohydraulic pressure, foulingishighlyreversibleusingacleaningsolutionof deionized (DI)waterwith50mMofNaClasfeedwaterand4M NaCl asdrawsolution(DS);itwasevensuggestedthatchemical cleaning isnotneeded.Highrecoveryofpermeatefluxeswasalso demonstrated inLeeetal. [6] research, usingmainlyanincreased crossflow velocityinthefeedstreamtocleantheorganicfouling (composed ofalginate,humicacidandbovineserumalbumin)of a FOmembrane,withoutemployingchemicalcleaning [6]. Transparent exopolymerparticles(TEP)aredeformable,gel- like, transparentparticlesofacidmucopolysaccharidessuspended in thewatermassthatappearinmanyformsandareubiquitous to freshwaterandmarineenvironments.TEPcanbedivided according toitssizeasparticulateTEP(40.4 mm) andcolloidal TEP, usuallyinarangeof0.05–0.4 mm [9]. TEPareamongthe biopolymers thatmightbeassociatedwithfoulingonthesupport layer (SL)ofanFOmembraneinaconfigurationofactivelayer facing thefeedsolution(AL-FS)whenusingseawaterasaDS; several studiessuggestthattheseparticlesareresponsiblefor

biofouling of membranes [10]. Significantly larger concentrations of TEP are found in seawater compared to wastewater effluents and diverse raw fresh waters [9,11]. Therefore, we may hypothe- size that TEP fouling of the FO membrane can occur when seawater is involved.

رسوب TEP و NOM در غشای اسمز پیش­رونده (FO): تعیین رسوب­کننده و پاکسازی

چکیده

مطالعه­ی غشای اسمز پیش­رونده (FO) بدلیل مزایای اثبات شده­ی آن در مقایسه با فرآیندهای غشایی با انرژی بالا مانند اسمز معکوس (RO) افزایش یافته است. این تحقیق بر تعیین مشخصات بخش ماده­ی آلی طبیعی (NOM) که موجب رسوب بر لایه­ی فعال یک غشای FO در یک صفحه­ی جدید می­شود و پیکربندی واحد قالبی که با برون­ریز فاضلاب ثانویه بعنوان یک محلول خوراک (FS) و فاضلاب، بعنوان یک محلول کشنده (DS) مواجه است، تمرکز دارد. بعلاوه، ذرات اکزوپلیمر شفاف (TEP) بر لایه­ی پایه­ی (SL) غشای در تماس با DS مشاهده شد. لایه­ی رسوبی NOM، پس از تعیین مشخصات نمونه­های آبی و غشای مورد استفاده، معلوم شد که متشکل از بیوپلیمرها و بسترهای پروتئین­مانند هستند که اثرات منفی بر فلاکس آب از میان غشای FO دارند. درهرحال، رسوب NOM بازگشت­پذیری بالایی، تا 90% را وقتی که تمیزکاری با هوا برای 15 دقیقه بعنوان یک تکنیک پاکسازی، مورد استفاده قرار گرفت نشان داد. رسوب بازگشت­ناپذیر در این کار پس از پاکسازی شیمیایی حدود 8.2% بود. در لایه­ی­­ پایه­ی غشا، TEP خوشه­هایی را ایجاد کرد که با یک میکروسکوپ نوری و یک رنگ مشخص­کننده­ی TEP به وضوح قابل تشخیص بود. اثبات شد که پاکسازی شیمیایی با NaCl 1% برای 10 دقیقه موثرترین روش برای زدودن TEP است.

1. مقدمه

اسمز پیش­رونده (FO) ،یک فرآیند غشایی اسمزی، بدلیل اینکه یک جایگزین با انرژی پایین است توجه زیادی را در کاربردهای بسیاری که معمولاً با غشاهای فشاری انجام می­شود مانند اسمز معکوس (RO)، و نانوفیلتراسیون (NF) به خود جلب کرده است. مطالعات اخیر، بر استفاده از غشاهای اسمز پیش­رونده (FO) برای بازیابی فاضلاب حفاری نفت/گاز، تصفیه­ی شیرابه­ی دفن زباله [1] و نمکزدایی آب [2] تمرکز دارند.

مواد آلی طبیعی (NOM) موجود در آب نشان داده­اند که یک عامل جدی رسوب­ برای غشاهای NF و RO هستند [3-6]. Holloway و همکاران [7] رفتار رسوبی FO و RO را برای تصفیه­ی عصاره­ی فاضلاب مقایسه کردند و نرخ کاهش فلاکس آهسته­تری را در FO نسبت به RO در رسوب آلی ایجاد شده توسط سدیوم آلجینات (شبیه­سازی شده­ی پلی­ساکارید در فاضلاب) در غشاهای FO که توسط Mi و همکاران [8] مطالعه شده را اثبات کردند. آن­ها نشان دادند که برای فرآیندهای اسمزی فشاری که هیچ فشار هیدرلیکی وجود ندارد، رسوب­، با استفاده از یک محلول پاکسازی از آب دیونیزه (DI) بهمراه mM 50 NaCl بعنوان یک آب خوراک، و M 4 NaCl بعنوان محلول کشنده (DS)، بشدت برگشت­پذیر است. همچنین نشان داده شد که پاکسازی شیمیایی مورد نیاز نیست. بازیابی بالایی از جریانات نفوذی نیز در تحقیق Lee و همکاران [6] با استفاده از سرعت متقاطع افزایش یافته در جریان خوراک برای پاکسازی رسوب آلی (متشکل از آلجینات، هومیک اسید، و سرم آلبومین گاوی) در یک غشای FO، بدون بکارگیری پاکسازی شیمیایی اثبات شد [6].

ذرات اکزوپلیمر شفاف (TEP) ذرات شفاف دگردیس­پذیر، ژل­ مانند از اسید موکوپلی ساکارید معلق در جرم آبی هستند که در بسیاری اشکال ظاهر می­شوند و در محیط­های دریایی و آب شیرین موجود هستند. TEP را می­توان بر اساس اندازه­اش بصورت TEP بسیار ریز (بیشتر از μm 0.4) و TEP کلوییدی، معمولا در محدوده­ی μm 0.05-0.4 تقسیم کرد [9]. TEP در میان بیوپلیمرهایی است که می­توانند به رسوب­ بر لایه­ی پایه (SL) یک غشای FO در پیکربندی لایه­ی فعال در تماس با محلول خوراک (AL-SF)، وقتی از فاضلاب بصورت DS استفاده می­شود مربوط باشند. مطالعات زیادی نشان می­دهند که این ذرات مسئول رسوب­ زیستی غشاها هستند [10]. غلظت­های بسیار بالاتری از TEP در آب دریا در مقایسه با برون­ریز فاضلاب و آب­های شیرین خام مختلف یافت می­شود [9,11]. بنابراین، می­توان فرض کرد که رسوب­ TEP در غشای FO، وقتی آب دریا  درگیر است اتفاق می­افتد.