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Electric Field-Assisted Nanofiltration for PFOA Removal with Exceptional Flux, Selectivity, and Destruction

纳滤 全氟辛酸 阳极 电场 化学 X射线光电子能谱 化学工程 分析化学(期刊) 材料科学 环境化学 电极 生物化学 物理 物理化学 量子力学 工程类
作者
Yangyuan Ji,Youn Jeong Choi,Yuhang Fang,Hoang Son Pham,Alliyan Tan Nou,Linda Lee,Junfeng Niu,David M. Warsinger
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (47): 18519-18528 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c04874
摘要

Per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) pose significant environmental and human health risks and thus require solutions for their removal and destruction. However, PFAS cannot be destroyed by widely used removal processes like nanofiltration (NF). A few scarcely implemented advanced oxidation processes can degrade PFAS. In this study, we apply an electric field to a membrane system by placing a nanofiltration membrane between reactive electrodes in a crossflow configuration. The performance of perfluorooctanoic acid (PFOA) rejection, water flux, and energy consumption were evaluated. The reactive and robust SnO2-Sb porous anode was created via a sintering and sol-gel process. The characterization and analysis techniques included field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), ion chromatography, mass spectroscopy, porosimeter, and pH meter. The PFOA rejection increased from 45% (0 V) to 97% (30 V) when the electric field and filtration were in the same direction, while rejection capabilities worsened in opposite directions. With saline solutions (1 mM Na2SO4) present, the induced electro-oxidation process could effectively mineralize PFOA, although this led to unstable removal and water fluxes. The design achieved an exceptional performance in the nonsaline feed of 97% PFOA rejection and water flux of 68.4 L/m2 hr while requiring only 7.31 × 10-5 kWh/m3/order of electrical energy. The approach's success is attributed to the proximity of the electrodes and membrane, which causes a stronger electric field, weakened concentration polarization, and reduced mass transfer distances of PFOA near the membrane. The proposed electric field-assisted nanofiltration design provides a practical membrane separation method for PFAS removal from water.
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