In Situ Electrochemical Generation of Reactive Chlorine Species for Efficient Ultrafiltration Membrane Self-Cleaning

原位 超滤(肾) 化学工程 电化学 化学 环境化学 环境科学 色谱法 电极 有机化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Xiaoxiong Wang,Meng Sun,Yumeng Zhao,Chi Wang,Wen Ma,Michael S. Wong,Menachem Elimelech
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:54 (11): 6997-7007 被引量:116
标识
DOI:10.1021/acs.est.0c01590
摘要

Reactive membranes based on hydroxyl radical generation are hindered by the need for chemical dosing and complicated module and material design. Herein, we utilize an electrochemical approach featuring in situ generation of reactive (radical) chlorine species (RCS) through anodization of chloride ions for membrane self-cleaning. A hybridized carbon nanotube (CNT)-functionalized ceramic membrane (h-CNT/CM), possessing high hydrophilicity, permeability, and conductivity, was fabricated. Using carbamazepine (CBZ) as a probe, we confirmed the presence of RCS in the electrified h-CNT/CM. The rapid and complete degradation of CBZ in a single-pass ultrafiltration indicates a high localized RCS concentration within the three-dimensional porous CNT interwoven layer. We further demonstrate that the electrogeneration of RCS is a critical prestep for free chlorine (HClO and ClO-) formation. The self-cleaning efficiency of the membrane after fouling with a model organic foulant (alginate) was assessed using an electrified cross-flow membrane filtration system. The fouled h-CNT/CM exhibits a near complete water flux recovery following a short (1 min) self-cleaning with an applied voltage of 3 or 4 V and feed solutions of 100 or 10 mM sodium chloride, respectively. Considering the superior performance of the RCS-mediated self-cleaning compared to conventional membrane chemical cleaning using sodium hypochlorite, our results exemplify an effective strategy for in situ electrogeneration of RCS to achieve a highly efficient membrane self-cleaning.
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