Nakon onečišćenja membrane, potrebno je čišćenje kako bi se obnovila njezina učinkovitost. Dok se metode čišćenja koje predlažu različiti proizvođači membrana razlikuju, temeljni princip je uglavnom isti: uklanjanje kontaminanata s površine membrane i pora fizičkim, kemijskim i biološkim sredstvima, čime se obnavlja protok i selektivnost membrane. Ovaj članak će sustavno predstaviti glavne metode i pokazatelje učinkovitosti čišćenja membrane za stručnjake za obradu vode.
I. Pregled metoda čišćenja membrane
Metode čišćenja membrane općenito se mogu podijeliti u tri kategorije: fizičko čišćenje, kemijsko čišćenje i biološko čišćenje. Svaki ima svoje karakteristike i može se koristiti pojedinačno ili u kombinaciji.
1. Fizičko čišćenje
Fizičko čišćenje uglavnom uključuje povratno ispiranje, hidrauličko ispiranje, ultrazvučno čišćenje i mehaničko ribanje. Ove se metode oslanjaju na mehaničko ili hidrauličko djelovanje kako bi se uklonile onečišćenja koja su se zalijepila za površinu membrane. To su ne-kemijske metode, jednostavne u postupku, niske cijene i minimalno oštećuju materijal membrane, što ih često čini preferiranom metodom čišćenja. Uobičajene fizičke metode čišćenja uključuju povratno ispiranje, nisko-tlačno ili visoko-tlačno ispiranje, te neke manje uobičajene fizičke metode čišćenja, kao što su ultrazvučno čišćenje i čišćenje električnim poljem.
Povratno ispiranje uključuje primjenu obrnutog tlaka kako bi se čista voda potisnula u pore membrane sa strane permeata, uklanjajući zagađivače zalijepljene za površinu membrane i unutar pora. Ova metoda je posebno učinkovita za membrane od šupljih vlakana, kao što su ultrafiltracijske ili nanofiltracijske membrane od šupljih vlakana.
Nisko{0}}tlačno ili visoko{1}}tlačno ispiranje koristi bočnu brzinu protoka za utjecaj na površinu membrane, uklanjajući labave naslage.
Ultrazvučni valovi stvaraju kavitaciju u tekućinama; mikromlazni tokovi koji nastaju kada mjehurići pucaju učinkovito utječu na površinu membrane, otpuštajući i uklanjajući sloj onečišćenja. Ova je metoda prikladna za izvanmrežno uklanjanje čvrsto pričvršćenih organskih ili koloidnih onečišćenja.
Čišćenje električnim poljem primjenjuje pulsirajuća električna polja na oba kraja membranskog modula, koristeći elektroosmozu i elektrokemijske reakcije za uklanjanje onečišćenja. Ovo je nova tehnologija regeneracije membrane.
Fizičko čišćenje je jednostavno za rukovanje, jeftino i ekološki prihvatljivo; međutim, njegova je učinkovitost ograničena za jako ljepljive slojeve organske tvari i anorganskog kamenca. Stoga se često koristi zajedno s kemijskim čišćenjem.
2. Kemijsko čišćenje Kemijsko čišćenje je potrebno kada je fizičko čišćenje neučinkovito. Kemijsko čišćenje je proces koji koristi kemijske agense za otapanje, kompleksiranje, oksidaciju ili saponificiranje kontaminanata unutar i izvan pora membrane, uzrokujući strukturne promjene ili pretvorbu u topljive tvari, čime se obnavlja učinkovitost membrane. Na temelju svojstava korištenih sredstava, kemijsko čišćenje može se podijeliti u sljedeće kategorije:
(1) Ispiranje kiselinom
Ispiranje kiselinom uglavnom se koristi za uklanjanje anorganskog kamenca i zagađivača metalnih oksida. Uobičajeno korištena sredstva uključuju klorovodičnu kiselinu, dušičnu kiselinu, fosfornu kiselinu i limunsku kiselinu. Kiseline mogu reagirati s metalnim oksidima u obliku topljivih soli, čime se uklanja taloženi sloj. Na primjer, klorovodična kiselina može učinkovito ukloniti anorganski kamenac kao što su kalcijev karbonat i željezni hidroksid, dok je limunska kiselina nježnija i prikladnija za sustave osjetljive na membranske materijale.
(2) Alkalno pranje
Alkalno pranje se uglavnom koristi za uklanjanje organskih kontaminanata, masti i proteinskih kontaminanata. Uobičajeno korištena sredstva uključuju NaOH, Na₂CO3, Na3PO₄ i EDTA. U alkalnim uvjetima, organska tvar se može saponificirati, proteini denaturirati ili mikrobne flokule razgraditi. Na primjer, otopina NaOH može učinkovito ukloniti kontaminante proteina.
(3) Oksidativno čišćenje
Oksidativna sredstva za čišćenje, poput natrijevog hipoklorita, vodikovog peroksida i peroctene kiseline, jaki su oksidansi koji mogu oksidirati organske zagađivače u male, -vodotopive molekule. Oni smanjuju prianjanje zagađivača kidanjem njihovih kemijskih veza, karboksilnih skupina ili aminskih skupina. Obično se koriste za dezinfekciju i uklanjanje kamenca s organskih membrana, ali treba napomenuti da su neke membrane (kao što su membrane za reverznu osmozu od aromatičnog poliamida) osjetljive na oksidanse.
(4) Čišćenje surfaktantom
Surfaktanti, kao što su Triton X-100 i natrijev dodecilbenzen sulfonat (SDBS), mogu emulgirati masti i proteine i raspršiti čestične zagađivače. Njihov mehanizam djelovanja je smanjenje međupovršinske napetosti, čime se onečišćivači lakše desorbiraju. Čišćenje površinski aktivnim tvarima posebno je učinkovito za otpadne vode zauljene ili sustave otpadnih voda za preradu hrane.
(5) Čišćenje kompleksa
Često korištena sredstva za kompleksiranje, kao što je etilendiamintetraoctena kiselina (EDTA), mogu formirati stabilne komplekse s metalnim ionima, uništavajući strukturu anorganskog kamenca i tako uklanjajući naslage metala. Često se koriste u kombinaciji u sustavima s višestrukim zagađivačima (kao što je kamenac Ca²⁺-organske kiseline) za bolje rezultate. Uspjeh kemijskog čišćenja usko je povezan s koncentracijom, temperaturom, vremenom i pH otopine za čišćenje. U praksi se često koriste višestruka čišćenja niske-koncentracije kako bi se smanjila šteta na materijalu membrane.
3. Biološko čišćenje Biološko čišćenje koristi biokatalitičko djelovanje enzima ili mikroorganizama za razgradnju kontaminanata. Na primjer, proteaze mogu razgraditi kontaminante proteina, lipaze mogu ukloniti masnoće, a celulaze mogu razgraditi organski kamenac membrane. Prednosti su mu što je blag, ekološki prihvatljiv, ne-toksičan i minimalno oštećuje strukturu membrane; mane su mu veća cijena i ograničena primjenjivost, a često se koristi kao dodatak kemijskom čišćenju.
II. Sveobuhvatna analiza i preporuke inženjerske prakse
Iz perspektive inženjerske primjene, odabir strategija čišćenja membrane treba sveobuhvatno odrediti na temelju vrste onečišćenja, karakteristika materijala membrane i radnih uvjeta sustava.
Anorgansko onečišćenje kamenca: poželjno je ispiranje kiselinom + sredstvo za stvaranje kompleksa;
Organsko i biološko onečišćenje: Alkalno pranje + surfaktant;
Kombinirano onečišćenje: kemijsko čišćenje nakon kojeg slijedi fizičko čišćenje ili izmjenične metode čišćenja;
Membrane koje se lako oksidiraju: Izbjegavajte korištenje jakih oksidansa.
Tijekom procesa čišćenja treba kontrolirati temperaturu (općenito 25-40 stupnjeva) kako bi se povećala brzina reakcije i istovremeno spriječilo oštećenje membrane. Osim toga, pozornost treba obratiti na brzinu cirkulacije i uzorak protoka otopine za čišćenje kako bi se osiguralo učinkovito smicanje kemijskih sredstava na površini membrane. Nakon čišćenja neophodno je temeljito ispiranje kako bi se spriječila sekundarna kontaminacija zaostalim sredstvima.
Sažetak
Čišćenje membrane ključni je korak u stabilnom radu sustava membranske separacije. Odgovarajuća metoda čišćenja ne samo da može učinkovito vratiti performanse membrane, već i produžiti životni vijek membrane i smanjiti operativne troškove. Fizičko čišćenje je jednostavno i ekonomično, kemijsko čišćenje je temeljito i učinkovito, a biološko čišćenje je ekološki prihvatljivo. Kombinacijom ove tri metode može se razviti sveobuhvatno i-isplativo rješenje za čišćenje na temelju karakteristika onečišćenja. U budućnosti, s poboljšanjima membranskih materijala i razvojem tehnologija čišćenja, niska-potrošnja kemikalija, automatizirana kontrola i inteligentno čišćenje postat će glavni smjer. Za inženjere za pročišćavanje vode, ovladavanje mehanizmima i metodama procjene membranskog čišćenja ključni je tečaj za poboljšanje pouzdanosti i ekonomičnosti sustava.