Contribution des nanoparticules Fe3O4 à l'encrassement de l'ultrafiltration avec pré-coagulation

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 13067 (2015) Citer cet article

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Un processus de coagulation (FeCl3)-ultrafiltration a été utilisé pour traiter deux eaux brutes différentes avec/sans la présence de contaminants nanoparticulaires Fe3O4. Il a été constaté que la présence de nanoparticules de Fe3O4 dans l’eau brute augmentait l’encrassement irréversible et réversible des membranes. L'augmentation de la pression transmembranaire (TMP) était similaire au début des essais membranaires pour les deux eaux brutes, alors qu'elle augmentait rapidement après environ 15 jours dans l'eau brute contenant des nanoparticules de Fe3O4, suggérant l'implication d'effets biologiques. Une activité microbienne accrue avec la présence de nanoparticules de Fe3O4 était évidente à partir des concentrations mesurées de substances polymères extracellulaires (EPS) et d'acide désoxyribonucléique (ADN) et des intensités de fluorescence. On suppose que les nanoparticules de Fe3O4 se sont accumulées dans la couche du gâteau et ont augmenté la croissance bactérienne. La production d'EPS est associée à la croissance bactérienne, ce qui améliore la liaison avec et entre les flocs coagulants ; L'EPS ainsi que des tailles plus petites de particules primaires à l'échelle nanométrique de la couche de gâteau Fe3O4-CUF ont conduit à la formation d'une couche de gâteau de porosité plus faible, plus résiliente et au blocage des pores de la membrane.

Les systèmes à membrane d'ultrafiltration (UF) sont de plus en plus utilisés dans le traitement des eaux souterraines et des eaux de surface en raison de leur capacité à produire de l'eau potable de haute qualité de manière économique, en particulier pour l'élimination des bactéries et des virus. Cependant, la présence de matière organique naturelle (MON) dans ces eaux, comprenant généralement un mélange complexe d'acides humiques et fulviques, de protéines et de glucides, est considérée comme le principal agent d'encrassement des membranes1,2. Des corrélations raisonnablement bonnes ont été démontrées entre la présence de ces substances organiques et le taux d'encrassement irréversible pour les opérations d'UF à long terme, notamment en ce qui concerne la teneur en biopolymères, tels que les substances de type protéine et polysaccharide3,4. Certains chercheurs ont conclu qu'après la matière organique, l'oxyde ferrique et la silice sont les deuxièmes agents salissures les plus courants, suivis de l'alumine et du sulfate de calcium5.

Une tendance à l'utilisation croissante de nanoparticules commerciales est évidente ces dernières années et les problèmes environnementaux associés suscitent une inquiétude croissante car elles sont synthétisées et utilisées à grande échelle, conduisant à la contamination des masses d'eau naturelles, par exemple par le rejet d'eau. Nanoparticules Fe3O4 modifiées dispersives6. Par exemple, certaines nanoparticules incorporées dans des articles vestimentaires peuvent être rejetées dans l’eau et influencer par la suite le fonctionnement des stations d’épuration des eaux usées (STEP)7. Un autre problème est que les nanoparticules peuvent absorber ou incorporer des métaux toxiques et transporter des toxines en aval8. Par conséquent, l’élimination de ces nanoparticules de l’eau contaminée revêt une grande importance et la filtration sur membrane, en tant que processus de séparation des particules, est en principe une méthode efficace. Cependant, il est possible que les nanoparticules exacerbent l’encrassement de la membrane car la taille des nanoparticules est proche de celle des pores de la membrane d’ultrafiltration.

Afin de contrôler l’encrassement de la membrane et d’éliminer les nanoparticules, de nombreuses méthodes ont été utilisées pour empêcher les matériaux organiques d’encrassement et les nanoparticules d’atteindre la membrane, telles que l’échange d’ions (IX)9 et le revêtement d’oxyde de fer10. La coagulation chimique « en ligne » ou coagulation-floculation hydraulique s'est avérée être un moyen efficace non seulement d'améliorer la qualité générale de l'eau, mais aussi de contrôler l'encrassement des membranes11,12,13. L'ajout de chlorure de polyaluminium a eu un impact positif en réduisant l'encrassement hydrauliquement irréversible par ces constituants3. Cependant, le processus de coagulation produit une couche de gâteau et de nombreuses études expérimentales et opérations pratiques ont indiqué que la formation d’une couche de gâteau est la principale cause d’encrassement des membranes14,15,16. Par conséquent, les caractéristiques de la couche du gâteau doivent être explorées et en particulier la présence de substances polymères extracellulaires (EPS) et de bactéries.