Uvod
Keramičke membrane postale su preferirana tehnologija za pročišćavanje vode i otpadnih voda zahvaljujući njihovoj mehaničkoj čvrstoći, kemijskoj otpornosti, toplinskoj stabilnosti i dugom vijeku trajanja u usporedbi s polimernim membranama. No, kao i svaki membranski proces, keramičke membrane pate od stalnog problema: onečišćenja, posebno otopljenim i makromolekularnim organskim tvarima kao što su huminske kiseline, proteini i prirodna organska tvar (NOM). Obraštaj smanjuje protok permeata, povećava troškove energije i skraćuje vijek trajanja membrane.
Jedno od obećavajućih rješenja koje se pojavilo posljednjih godina je uparivanje keramičkih membrana s generatorima nanomjehurića (i mikro-nanomjehurića, MNB). Ova kombinacija se koristi i za sprječavanje onečišćenja tijekom filtracije i za čišćenje membrana koje su već zaprljane - te u nekim konfiguracijama za aktivnu razgradnju organskih zagađivača u samoj napojnoj vodi.
Što su nanomjehurići?
Nanomjehurići su mjehurići plina promjera otprilike 100-200 nanometara do nekoliko mikrometara - daleko manji od mjehurića proizvedenih konvencionalnom aeracijom. Zbog svoje veličine ponašaju se sasvim drugačije od običnih mjehurića:
- Ne dižu se brzo i ne pucaju.Nanomjehurići imaju gotovo-neutralni uzgon i mogu ostati lebdjeti u vodi danima ili tjednima, a ne sekundama.
- Nose negativan površinski naboj, što im pomaže pri adsorpciji i interakciji s organskim nečistoćama i česticama suspendiranim u vodi.
- Kada se kolabiraju, stvaraju lokalizirane sile smicanja i, u nekim slučajevima, reaktivne kisikove vrste (ROS)kao što su hidroksilni radikali (•OH), koji mogu pomoći u razgradnji organskih molekula.
- Oni dramatično povećavaju učinkovitost prijenosa mase iz-plina u-tekućinu, što je jako važno kada je uključeni plin jak oksidans poput ozona.
Generatori nanomjehurića obično proizvode te mjehuriće pomoću jednog od nekoliko mehanizama: rotacijski/venturi uređaji s visokim-smicanjem, oslobađanje otopljenog{1}}plina pod tlakom (slično flotaciji otopljenog zraka) ili ultrazvučna kavitacija. Plin koji se koristi može biti običan zrak/kisik ili - za agresivniji tretman - ozon.
Zašto kombinirati nano mjehuriće s keramičkim membranama?
1. Sprječavanje obraštanja tijekom filtracije
Mikro i nano mjehurići pokazali su izvanrednu učinkovitost u sprječavanju onečišćenja i pomaganju čišćenju membrane kroz različite tehnike filtracije, a kod filtracije s križnim protokom, upotreba ovih mjehurića vratila je fluks keramičke membrane na 80% nakon ispiranja.Mjehurići se obično uvode u tok napajanja ili se koriste tijekom ciklusa povratnog ispiranja, gdje pomažu ribati površinu membrane i ometati sloj kolača od organskih nečistoća prije nego što se konsolidira.
2. Poboljšano kemijsko-čišćenje-na mjestu (CIP) s ozonom
Možda najviše istražena primjena je kombinacija ozona s stvaranjem nanomjehurića za CIP čišćenje keramičkih membrana zaprljanih otopljenim i makromolekularnim organskim tvarima.Tehnologija ozonskih mikro-nano-mjehurića može učinkovito olabaviti strukturu zaprljanog sloja na površini membrane, smanjujući adheziju zaprljanih tvari, a hidroksilni radikali proizvedeni katalizom pomoću aluminijevog oksida u keramičkoj membrani mogu postići dubinsko čišćenje onečišćene membrane.Nanomjehurići daju silu smicanja potrebnu za fizičko uklanjanje sloja nečistoće, dok istovremeno postižu puno veću učinkovitost prijenosa mase ozona od konvencionalne difuzije mjehurića -, što znači da se troši manje ozona i da više reagira s nečistoćom.
Izrađena srodna studijanovi sustav generatora-nanomjehurića ozona za čišćenje zaprljane keramičke membrane koja se obično koristi u industriji boja, i otkrio da su se karakteristike površine membrane značajno promijenile, sa smanjenom hrapavošću površine i nakupljanjem prljavštine što je potvrđeno mikroskopijom atomske sile, skenirajućom elektronskom mikroskopijom, fluorescencijom X-zraka i energetsko-disperzijom spektroskopije.Fourier-infracrvena (FTIR) spektroskopija zaostalog zagađivača pokazala je karakteristične organske potpise - vodikovim-skupinama i nezasićenim ugljikom-ugljikovim vezama - u skladu s ozonskim nanomjehurićima koji razgrađuju složene organske zagađujuće molekule umjesto da ih jednostavno izbace netaknute.
3. Nanomjehurići zraka/kisika kao niža-troškovna alternativa
Nije za svaku primjenu potreban ozon.Ghadimkhani i sur. demonstrirao je uspješno otčepljivanje pora keramičke membrane korištenjem zračnih nanomjehurića u pilot- i-testovima na skali, vraćajući protok permeata na izvorne vrijednosti.U jednom eksperimentu,huminska kiselina u potpunosti je začepila keramičku membranu u roku od 6 sati, smanjivši protok gotovo na nulu, ali kada je zaprljana membrana napunjena vodom iz nanomjehurića, početni tok je obnovljen u roku od 2 sata - učinak koji se pripisuje razgradnji organske tvari slobodnim radikalima nastalim nakon kolapsa zračnih nanomjehurića.Ovo sugerira da čak i bez jakog oksidansa kao što je ozon, fizički kolaps nanomjehurića može generirati dovoljno lokaliziranih reaktivnih vrsta koje pomažu razgradnju adsorbiranih organskih tvari.
Zračni nanomjehurići su atraktivni jer izbjegavaju kapitalne i sigurnosne troškove -generiranja ozona na licu mjesta, što ih čini pristupačnijom opcijom za manja postrojenja za obradu ili industrije kao što je prerada mlijeka, gdje se također pokazalo da nanomjehurići poboljšavaju protok i skraćuju vrijeme filtracije.
4. Predobrada za nizvodne membranske procese
Keramičke membrane također se koriste kao korak predtretmana ispred čvršćih membrana kao što je nanofiltracija (NF), a pristupi potpomognuti-nanomjehurićima/ozonom mogu poboljšati učinkovitost te predtretmana. U jednoj studiji pitke{2}}vode-otpadne vode iz proizvodnje biljaka,postupak hibridne keramičke membrane – nanofiltracije postigao je prosječne stope uklanjanja od 95,60% za otopljeni organski ugljik, 98,55% za UV254 (zamjena za aromatični organski sadržaj), 34,50% za vodljivost i 50,71% za kalcij - poboljšanja od 4,70%, 1,40%, 16,37% i 10,36% u odnosu na samostalnu nanofiltraciju. Predtretman keramičke membrane također je smanjio nepovratno onečišćenje nizvodne NF membrane u nizu koncentracija onečišćujućih tvari, a skenirajuća elektronska mikroskopija potvrdila je da je ovaj predtretman ublažio onečišćenje na površini NF membrane.
Zasebno, površinsko ispiranje-na bazi ozona istraženo je kao način smanjenja potrebe za konvencionalnom predtretmanom mikrofiltracijom/ultrafiltracijom ispred keramičkih nanofiltracijskih membrana. Konvencionalna prethodna obrada korištenjem više-medijske filtracije, mikrofiltracije ili ultrafiltracije prije nanofiltracije dodaje značajne kapitalne troškove, fizički otisak i složenost sustava, tako da je zamjena filtracijske-prethodne obrade s-temeljenim postupkom koji se temelji na ozonu privlačan način za smanjenje troškova i otiska, posebno u urbanim postavkama recikliranja vode.
5. Izravna razgradnja organskih onečišćujućih tvari
Osim čišćenja membrane, sustavi mikro-nanomjehurića sve se više proučavaju kao napredna oksidacijska-tehnologija sama po sebi.U jednoj studiji pročišćavanja otpadnih voda, kombiniranje generatora hidrodinamičke kavitacije s dodatnim postupkom oksidacije podiglo je ukupnu učinkovitost uklanjanja organskog ugljika na 40,01% tijekom 90 minuta, u usporedbi sa samo 14,61% korištenjem samog generatora kavitacije. To ilustrira da sustavi nanomjehurića/kavitacije često imaju najbolje rezultate kao dio hibridnog procesa, a ne kao samostalni tretman.
Kako tipični sustav funkcionira
Kombinirani sustav nanomjehurića i keramičke membrane općenito uključuje:
- Opskrba plinom- ambijentalni zrak, kisik ili ozon koji nastaje na-licu mjesta.
- Generator nanomjehurića- Venturijeva venturijeva, smična-pumpa ili-jedinica za otapanje pod tlakom koja ubrizgava plin u vodu kao nanomjehuriće.
- Faza kontakta/reakcije- nanobubble-voda obogaćena se kontinuirano dovodi u dovod membrane ili se koristi u periodičnim povratnim ispiranjima/CIP ciklusima.
- Keramički membranski modul- obično cjevasti ili ravni-limeni elementi od glinice, cirkonijevog oksida ili titanija-na bazi, koji rade u križnom ili slijepom-načinu.
- Praćenje- tok i transmembranski tlak prate se kako bi se odredilo kada je potreban ciklus čišćenja-potpomognut nanomjehurićima.
Prednosti kombiniranog pristupa
- Veći oporavak protokanakon čišćenja, često bez jakih kemijskih sredstava za čišćenje.
- Smanjena potrošnja kemikalija- posebno vrijedno tamo gdje nanomjehurići ozona zamjenjuju ili smanjuju upotrebu kiselih/kaustičnih kemikalija za čišćenje.
- Bolji prijenos mase oksidansa, tako da je potrebno manje ozona ili zraka za postizanje istog učinka čišćenja.
- Produženi vijek trajanja membranezbog nježnijeg, ravnomjernijeg čišćenja u usporedbi s agresivnim kemijskim ili mehaničkim čišćenjem.
- Potencijal smanjenja otiska predtretmanakada se koristi ispred čvršćih membrana poput NF ili RO.
Ograničenja i otvorena pitanja
Unatoč obećavajućim rezultatima, istraživači primjećuju neke nedostatke:
Utjecaj veličine mjehurića i koncentracije na kontrolu onečišćenja još nije u potpunosti shvaćen, a optimalni radni parametri mogu ovisiti o sustavu- i-zaprljanju.
Sustavi s ozonskim nanomjehurićima zahtijevaju pažljive provjere kompatibilnosti materijala, upravljanje otpadnim{0}}plinom i sigurnosne kontrole s obzirom na toksičnost ozona.
Većina objavljenih rezultata dolazi iz testnih- ili pilot-studija; dugoročni-operativni podaci velikih-omjera još uvijek su ograničeni.
Učinkovitost uvelike ovisi o prirodi organskog zagađivača (npr. huminske kiseline u odnosu na proteine u odnosu na sintetičke boje), tako da rezultati nisu uvijek generalizirani za više aplikacija.
Zaključak
Uparivanje generatora nanomjehurića s keramičkim membranama predstavlja jedan od praktičnijih napredaka u kontroli onečišćenja za vodu i pročišćavanje otpadnih voda. Bilo da se koristi za sprječavanje onečišćenja tijekom filtracije, ozonom-poboljšano CIP čišćenje ili kao prethodna obrada prije nanofiltracije, tehnologija koristi jedinstvenu fiziku nanomjehurića - dugu stabilnost, visoku površinsku reaktivnost i učinkovit prijenos plina - kako bi se smanjila upotreba kemikalija, obnovio tok i produžio vijek trajanja membrane. Kako se temeljni mehanizmi budu bolje karakterizirali, ova kombinacija će vjerojatno doživjeti širu primjenu u obradi pitke vode, industrijskoj otpadnoj vodi i aplikacijama za ponovnu upotrebu vode.