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接枝改性提高超濾膜的病毒去除能力

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接枝改性提高超濾膜的病毒去除能力

發布日期:2017-04-28 00:00 來源:http://www.q2pz.com 點擊:

接枝改性提高超濾膜的病毒去除能力

近年來由于水資源的短缺,一些城市采用了飲用水的再利用設施來緩解。再用水中的微生物安全,特別是病原性病毒的安全性,仍然是水消費者的重要關注點之一。過濾能夠在沒有消毒副產物的情況下實現病原體病毒的充分去除,但是需要大量的電能。近日伊利諾大學香檳分校的團隊通過在商業化的超濾組件上接枝親水性的單體來實現對病毒的較高去除,相關研究成果發表于雜志WaterResearch上,題目為《Improvement of virus removal using ultrafiltration membranesmodified with grafted zwitterionic polymer hydrogels》。第一作者RuiqingLu,通訊作者ThanhH.Nguyen,doi:10.1016/j.watres.2017.03.023    

直接飲用水再利用設施,供水來源是處理后的市政廢水,近期已經在在美國德克薩斯州水資源缺乏的BigSping和WichitaFalls等地實際應用了。微生物安全一直是水回用中需要持續關注的問題。在原料中致病病毒濃度高達107病毒/升。而在所有水性致病菌中,病毒的尺寸最小,最難通過沉淀和過濾來去除的。盡管消毒已經應用于病原體去除過程了,但是無論是紫外線還是氯都不能獲得令人滿意的病毒去除效果。

這種危險可能會對公共衛生構成威脅。例如人類諾如病毒估計是胃腸炎相關的第二大致命傳染病。在大規模的廢水處理廠,針對去除病毒的二級處理比消毒過程更大,可能是因為廢水中的高營養物提高了消毒劑的消耗量。不同于消毒過程,二級處理中的提高病毒去除并不依賴于增加消毒劑的劑量。生物反應器(MBR)展現出高病毒去除的前景,盡管用污垢MBR膜可以取得高達6log10的病毒去除,但是也會觀察到膜的滲透性顯著降低,因此在MBR中高病毒去除率會伴隨著高昂的操作費用。

通過污垢提高的病毒去除首先歸因于膜孔堵塞和孔隙限制。最近的研究顯示提高病毒去除率伴隨著的是降低孔徑和提高污染物的排斥力。其它的研究也表明病毒和膜的接觸力對于膜過濾過程中的病毒去除效力起決定性作用。排斥性的病毒-膜相互作用力甚至可以在孔徑比病毒半徑大時,防止病毒進入膜孔。病毒-膜相互作用力可以通過調解pH、離子強度、離子種類等來實現調節。除了病毒-膜相互作用力外,病毒通過膜還受水動力學影響。在膜表面附近的水具有吸吮病毒的作用。

基于上述膜過濾中的病毒去除機制,作者假設可以通過誘導排斥性的病毒-膜相互作用力來阻止病毒接近膜表面,從而提高病毒去除率。   

反應圖

在本文中,作者將兩性離子凝膠(Zwitterionichydrogels)——聚合的兩性離子3-(甲基丙烯酸胺基)丙基-二甲基(3-磺酸)氫氧胺(SPP)接枝到商業化的150道爾頓的聚醚砜超濾膜上,引入病毒-膜排斥力。在過濾單體和引發劑期間,在水溶液中進行氧化還原引發的接枝聚合,在膜孔上會功能化親水性的polySPP。水凝膠對于通過膜的水通量具有較小的影響,在不犧牲膜滲透率的條件下,提高病毒去除效率。考慮到廢水中的膜污染物,實驗中用可溶性微生物產物(SMP)模擬,來源于工業級的MBR處理后。為了檢驗不同尺寸的病毒去除效果,測試了一種很小的病毒噬菌體MS2(-30nm),和一種較大的2型人腺病毒(HAdV-2,-170nm)。   

改性和未改性膜的滲透通量和不同病毒的去除對比

結果顯示接枝降低了約18%的滲透率,但是HAdV-2的去除率提高了4log10、MS2去除率提高了3log10。初始的和接枝后的膜均用大尺寸的膜生物反應器(MBR)提取的可溶性微生物產物(SMP)在結垢后測試病毒去除。結垢后,接枝膜比初始膜的HAdV-2去除高1log10。用SMP結垢后的接枝膜比初始膜獲得了額外的5log10對于MS2的去除。本文致力于進一步闡述超濾中病毒的去除機制,為膜提供一種替代方案,可以更好的提供病毒控制。

注:文中的4log10形式計算方法如下圖所示:


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