Igensättning, fouling av membranfilter kräver fortsatt forskning. I en kinesisk studie har reaktioner mellan humus och proteiner visat sig problematiska och de har djupstuderats med flera spektroskopiska metoder.
Av: Jörgen Hanaeus
Membranfouling är fortsatt ett problem vid vatten- och avloppsrening och nya verktyg för att hitta medverkande ämnen är angeläget att finna. Här har fluorescens excitation-emission- matris (EEM) plus klusteranalys använts för att följa filtreringen av humussyra och bovin serum albumin (BSA) genom ett membran av polyvinylidenfluorid. Bovin serum albumin är ett protein som används i många biokemiska applikationer pga. sin stabilitet och integritet vid biologiska reaktioner.
Igensättningen av humussyra kunde hävas, men när BSA tillsattes kunde en igensättande interaktion mellan humussyra och BSA ses och den bekräftades genom IR- mikrospektroskopi och tvådimensionell korrelerande spektroskopisk analys och framgick även genom en avsevärd minskning av membranfluxen.
Bakgrund
Membranbaserad separationsteknik har utvecklats snabbt pga sin kompakthet, ringa slamproduktion och hög kvalitet på utgående vatten. Ett vanligt membranmaterial för mikro- och ultrafiltrering är polyvinylidenfluorid (PVDF) som är termiskt och kemiskt stabilt med god mekanisk styrka.
Vid membranfiltreringen sker fouling genom avsättning av partiklar – organiska eller oorganiska – eller utveckling av mikroorganismer på membranet, vilket underhand minskar filtrets renvattenproduktion. Naturligt organiskt material (NOM) finns globalt och anses vara den största orsaken till membranfouling. Dess huvudbeståndsdelar är proteiner, polysackarider och humussubstanser. Igensättningsförloppet med NOM lämnar ännu många frågetecken. Flera metoder har provats, så ger t ex konfokal laserskanning väl upplösta bilder av foulingens penetrationsdjup. Den visuella analysen har alltså haft framgång medan de kemiska komponenternas aktivitet är mindre känd.
Föreliggande studie vill visa på en ny metod för detta genom att integrera mikrospektroskopi med fluroscensspektroskopi. Man vill 1) visa på interaktion mellan humussyra och BSA genom EEM med parallell klusteranalys (PFFCA), 2) definiera en snabb metod för att kartlägga fouling via Fourier IR mikrospektroskopi, 3) klarlägga interaktionen mellan humussyra och BSA i membranfiltersteget och 4) visa påverkan av nämnda interaktion på membranfiltreringen.
Försök
PVDF-membran med pordiametern 0,22 µm användes och ett tryck av 0,015 MPa.
Fluorescens EEM mätning gjordes med fluorescensspektrofotometer där varje membranprov bestod av 1*2 cm2.
Resultat
Med enbart humussyra, 20 mg/L, minskade fluxen genom membranet från 7 till ca 6 mL/min efter 15 minuters filtrering. Med tillsats av 50 mg BSA/L minskade fluxen från 7 till ca 4,5 mL/min på samma tid och med 400 mg BSA/L minskade fluxen från 7 till 0,7mL/min på samma tid.
Spektroskopin avslöjade var våglängdstopparna vid foulingen uppstod och också att interaktionen skapade nya toppmönster. Aktiva kemiska grupper diskuteras och man bedömde att humussyrans funktionella grupp: C=O (1731 cm-1) och BSA-proteinets amidband (1540 cm-1) var ansvariga för interaktionen.
Slutsatser
Reaktion skedde alltså även mellan de ämnen som avsatts på membranet och är alltså en form av fouling som kan vara mer svårfunnen. Spektroskopi +IR lyckades alltså väl denna gång, men kräver också en god laboratorienivå.
Källa: Guan, Y-F.a), Qian, A.a), Chen, W.a,b*) , Huang, B-C.a), Wang, Y-J.a) & Yu, H-Q.a) (2018): Interaction between humic acid and protein in membrane fouling process: A spectroscopic insight. Water Research, 145, pp 146-152.
Författarna från:
a) CAS Key Laboratory of Urban Pollutant Conversion, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China
b) School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsa, 410083, China
Korresponderande författare (*):
