Pressure-Induced Piezoelectric Response for Mitigating Membrane Fouling in Surface Water Treatment: Insights from Continuous Operation and Biofouling Characterization

生物污染 结垢 水处理 膜污染 表征(材料科学) 地表水 环境工程 环境科学 材料科学 化学 纳米技术 生物化学
作者
Yang Zhang,Dongqing Yan,Yuan Zhao,Jian Li,Jun Wang,Yue Wang,Jie Wang,Hongwei Zhang,Lingling Chen,Meng Zhang
出处
期刊:Water Research [Elsevier BV]
卷期号:268: 122554-122554 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.watres.2024.122554
摘要

Organic fouling and biofouling represents a critical challenge encountered by the membrane-based water treatment process. Herein, a piezoelectric PVDF membrane (PEM), capable of generating electrical responses to hydraulic pressure stimuli, was synthesized and employed for mitigating the fouling in surface water treatment. The surface-hydrophobilized PEM demonstrated sensitive and enhanced underwater output performance in response to increasing transmembrane pressure (TMP) during constant-flux filtration, with signals reaching up to ∼800 mV at a TMP of ∼80 kPa. This in-situ piezoelectric response significantly reduced TMP growth in both short-term (1 h) and long-term (15 days) filtration trials, demonstrating a strong capability to mitigate membrane fouling. Moreover, continuous piezoelectric stimulation effectively inhibited microbial activity and the accumulation of extracellular polymeric substances (EPS) on PEM surface, surpassing the dominant electrokinetic repulsion mechanisms observed in short-term trials. Microbial community analysis suggests that this evolution is primarily due to the targeted impact of piezoelectric stimulation on microbial metabolic behavior. The piezoelectric-induced electrical microenvironment inhibited the growth of microbes associated with high EPS production while promoting the proliferation of electrically active microbes involved in biopolymer digestion. In addition, the PEM demonstrated enhanced permeate quality throughout the filtration process, with DOC and UV
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