The goal of the present study is to gain an in depth understanding of the influences of air injected concurrently and counter currently on membrane fouling and permeate flux for homogeneous Polycarbonate (PC) and heterogeneous Polysulfone (PS) membranes in the cross-flow ultrafiltration (UF). The Synchrotron-based X-ray microtomography (SR-µCT) technique, available at the biomedical imaging and therapy (BMIT) beamlines at the Canadian Light Source (CLS), answered the key research questions related to quantitative analysis and the visualization of particle depositions, layer by layer, in heterogeneous membrane matrices that would otherwise be opaque to optical access. In particular, high photon flux to achieve high resolution is infeasible, using lab-based radiography systems. SR-µCT was used to assess the influence of air injection on membrane fouling in each membrane layer of PS membrane matrices. A multiphase cross-flow filtration and the hydrodynamics was simulated, in the rectangular filtration channel, using computational fluid dynamics (CFD) at different air velocities. Furthermore, the scanning electron microscope (SEM) and confocal microscope imaging were used at different positions of the membranes to examine the influences of the velocity profiles on membrane fouling. SR-µCT innovative techniques proved that counter current air flow resulted in the elimination of membrane fouling at the top layers, but severe fouling between intermediate and lower layers of the investigated region inside the PS membrane matrices using counter-current air injection compared to concurrent air injection. These results indicate more particle deposited and trapped inside membrane matrices when air was injected counter-currently, which led to more turbulences and a reduction of the permeate flux. On the other hand, top layer indices depict strongly fouling on the bare PS without air injection. CFD analyses supported the experimental results, where the concurrently injected air was more effective in increasing the shear rate and reducing the concentration polarization while reducing turbulences and vortexes, as compared to the counter currently injected air. This innovative study is the first to report the SR-µCT for investigating membrane fouling in UF process for water and wastewater treatment.

本研究的目的是深入了解同时注入的空气的影响以及当前对错流超滤（UF）中均质聚碳酸酯（PC）和均相聚砜（PS）膜的膜污染和渗透通量的影响。 ）。基于同步加速器的X射线显微断层摄影（SR-µCT）技术可在加拿大光源（CLS）的生物医学成像和治疗（BMIT）光束线上使用，它回答了与定量分析和颗粒沉积可视化有关的关键研究问题一层一层地在异质膜基质中，否则它们对于光学通道是不透明的。特别地，使用基于实验室的放射线照相系统来实现高分辨率的高光子通量是不可行的。SR-µCT用于评估空气注入对PS膜基质每个膜层中膜污染的影响。使用计算空气动力学（CFD）在不同的风速下，在矩形过滤通道中模拟了多相错流过滤和流体动力学。此外，在膜的不同位置使用扫描电子显微镜（SEM）和共聚焦显微镜成像来检查速度曲线对膜污染的影响。SR-µCT创新技术证明，逆流气流消除了顶层的膜结垢，但是与同时使用的空气相比，使用逆流空气注入的PS膜基质内部研究区域的中下部之间的严重结垢注射。这些结果表明，当逆流注入空气时，更多的颗粒沉积并截留在膜基质内部，这导致了更多的湍流并降低了渗透通量。另一方面，顶层指数表示在未注入空气的情况下裸PS上的严重结垢。CFD分析支持了实验结果，与同时注入的空气相比，同时注入的空气在提高剪切速率和减小浓度极化的同时，还减少了湍流和涡流，因此更为有效。这项创新性研究是第一个报告SR-CT用于研究超滤过程中水和废水处理中膜污染的研究。这导致了更多的湍流并降低了渗透通量。另一方面，顶层指数表示在未注入空气的情况下裸PS上的严重结垢。CFD分析支持了实验结果，与同时注入的空气相比，同时注入的空气在提高剪切速率和减小浓度极化的同时，还减少了湍流和涡流，因此更为有效。这项创新性研究是第一个报告SR-CT用于研究超滤过程中水和废水处理中膜污染的研究。这导致了更多的湍流并降低了渗透通量。另一方面，顶层指数表示在未注入空气的情况下裸PS上的严重结垢。CFD分析支持了实验结果，与同时注入的空气相比，同时注入的空气在提高剪切速率和减小浓度极化的同时，还减少了湍流和涡流，因此更为有效。这项创新性研究是第一个报告SR-CT用于研究超滤过程中水和废水处理中膜污染的研究。与当前反向注入的空气相比，同时注入的空气在提高剪切速率和减小浓度极化的同时更有效地减少了湍流和涡流，因此更加有效。这项创新性研究是第一个报告SR-CT用于研究超滤过程中水和废水处理中膜污染的研究。与当前反向注入的空气相比，同时注入的空气在增加剪切速率和减小浓度极化的同时更有效地减少了湍流和涡流，因此更加有效。这项创新性研究是第一个报告SR-CT用于研究超滤过程中水和废水处理中膜污染的研究。