Po umazaniji membrane je potrebno čiščenje, da se obnovi njeno delovanje. Medtem ko se metode čiščenja, ki jih predlagajo različni proizvajalci membran, razlikujejo, je osnovno načelo večinoma enako: odstranjevanje kontaminantov s površine membrane in por s fizikalnimi, kemičnimi in biološkimi sredstvi, s čimer se ponovno vzpostavi pretok in selektivnost membrane. Ta članek bo strokovnjakom za čiščenje vode sistematično predstavil glavne metode in kazalnike učinkovitosti čiščenja membran.
I. Pregled metod čiščenja membran
Metode čiščenja membran lahko na splošno razdelimo v tri kategorije: fizično čiščenje, kemično čiščenje in biološko čiščenje. Vsak ima svoje značilnosti in se lahko uporablja posamezno ali v kombinaciji.
1. Fizično čiščenje
Fizično čiščenje vključuje predvsem povratno pranje, hidravlično izpiranje, ultrazvočno čiščenje in mehansko čiščenje. Te metode temeljijo na mehanskem ali hidravličnem delovanju za odstranjevanje onesnaževalcev, ki se držijo površine membrane. So nekemične metode, preproste v postopku, poceni in povzročajo minimalno škodo na materialu membrane, zaradi česar so pogosto najprimernejša metoda čiščenja. Običajne fizične metode čiščenja vključujejo povratno izpiranje, nizkotlačno-ali visoko-tlačno izpiranje ter nekatere manj običajne fizične metode čiščenja, kot sta ultrazvočno čiščenje in čiščenje z električnim poljem.
Povratno pranje vključuje uporabo povratnega tlaka, da se čista voda potisne v pore membrane s strani permeata, s čimer se odstranijo kontaminanti, ki se držijo površine membrane in v porah. Ta metoda je še posebej učinkovita za membrane z votlimi vlakni, kot so ultrafiltracijske ali nanofiltracijske membrane z votlimi vlakni.
Nizko{0}} ali visoko{1}}tlačno izpiranje uporablja bočno hitrost pretoka za vpliv na površino membrane in odstranjevanje ohlapnih usedlin.
Ultrazvočni valovi ustvarjajo kavitacijo v tekočinah; mikrojet tokovi, ki nastanejo ob poku mehurčkov, učinkovito vplivajo na površino membrane, zrahljajo in odstranijo plast umazanije. Ta metoda je primerna za odstranjevanje trdno pritrjenih organskih ali koloidnih umazanij brez povezave.
Čiščenje z električnim poljem uporablja impulzna električna polja na obeh koncih membranskega modula, pri čemer uporablja elektroosmozo in elektrokemične reakcije za odstranjevanje kontaminantov. To je nastajajoča tehnologija regeneracije membran.
Fizično čiščenje je preprosto za uporabo, poceni in okolju prijazno; vendar je njegova učinkovitost omejena za močno lepljive organske snovi in anorganske plasti vodnega kamna. Zato se pogosto uporablja v povezavi s kemičnim čiščenjem.
2. Kemično čiščenje Kemično čiščenje je potrebno, kadar je fizično čiščenje neučinkovito. Kemično čiščenje je postopek, ki uporablja kemična sredstva za raztapljanje, kompleksiranje, oksidacijo ali umiljenje kontaminantov znotraj in zunaj membranskih por, kar povzroči strukturne spremembe ali pretvorbo v topne snovi, s čimer se ponovno vzpostavi delovanje membrane. Glede na lastnosti uporabljenih sredstev lahko kemično čiščenje razdelimo v naslednje kategorije:
(1) Pranje s kislino
Kislinsko pranje se uporablja predvsem za odstranjevanje anorganskega kamna in kontaminantov kovinskih oksidov. Običajno uporabljena sredstva vključujejo klorovodikovo kislino, dušikovo kislino, fosforno kislino in citronsko kislino. Kisline lahko reagirajo s kovinskimi oksidi, da tvorijo topne soli in tako odstranijo odloženo plast. Na primer, klorovodikova kislina lahko učinkovito odstrani anorganski kamen, kot sta kalcijev karbonat in železov hidroksid, medtem ko je citronska kislina nežnejša in primerna za sisteme, občutljive na membranske materiale.
(2) Alkalno pranje
Alkalno pranje se uporablja predvsem za odstranjevanje organskih onesnaževalcev, maščob in beljakovinskih onesnaževalcev. Običajno uporabljena sredstva vključujejo NaOH, Na₂CO3, Na3PO₄ in EDTA. V alkalnih pogojih lahko pride do umiljenja organskih snovi, denaturacije beljakovin ali razgradnje mikrobnih kosmičev. Na primer, raztopina NaOH lahko učinkovito odstrani beljakovinske kontaminante.
(3) Oksidativno čiščenje
Oksidativna čistilna sredstva, kot so natrijev hipoklorit, vodikov peroksid in perocetna kislina, so močni oksidanti, ki lahko organska onesnaževala oksidirajo v majhne vodo-topne molekule. Zmanjšajo oprijem onesnaževal tako, da prekinejo njihove kemične vezi, karboksilne skupine ali aminske skupine. Običajno se uporabljajo za dezinfekcijo in odstranjevanje organskega membranskega kamna, vendar je treba upoštevati, da so nekatere membrane (kot so aromatične poliamidne reverzno osmozne membrane) občutljive na oksidante.
(4) Čiščenje s površinsko aktivnimi snovmi
Površinsko aktivne snovi, kot sta Triton X-100 in natrijev dodecilbenzen sulfonat (SDBS), lahko emulgirajo maščobe in beljakovine ter razpršijo delce, ki onesnažujejo. Njihov mehanizem delovanja je zmanjšanje medfazne napetosti, zaradi česar se onesnaževala lažje desorbirajo. Čiščenje s površinsko aktivnimi sredstvi je še posebej učinkovito za sisteme odpadne vode z oljem ali predelavo hrane.
(5) Kompleksno čiščenje
Običajno uporabljena sredstva za kompleksiranje, kot je etilendiamintetraocetna kislina (EDTA), lahko tvorijo stabilne komplekse s kovinskimi ioni, uničijo strukturo anorganskega kamna in tako odstranijo kovinske usedline. Za boljše rezultate se pogosto uporabljajo v kombinaciji v sistemih z več onesnaževalci (kot je Ca²⁺-organska kislina). Uspeh kemičnega čiščenja je tesno povezan s koncentracijo, temperaturo, časom in pH čistilne raztopine. V praksi se večkratna čiščenja z nizko-koncentracijo pogosto uporabljajo za zmanjšanje poškodb materiala membrane.
3. Biološko čiščenje Biološko čiščenje uporablja biokatalitsko delovanje encimov ali mikroorganizmov za razgradnjo kontaminantov. Na primer, proteaze lahko razgradijo beljakovinske kontaminante, lipaze lahko odstranijo maščobe, celulaze pa lahko razgradijo organski membranski kamen. Njegove prednosti so, da je blag, okolju prijazen, ne-strupen in minimalno poškoduje strukturo membrane; njegova slabost je višja cena in omejena uporabnost, pogosto pa se uporablja kot dodatek k kemičnemu čiščenju.
II. Obsežna analiza in priporočila inženirske prakse
Z vidika inženirske uporabe je treba izbiro strategij čiščenja membran celovito določiti na podlagi vrste umazanije, lastnosti materiala membrane in pogojev delovanja sistema.
Umazanija z anorganskim vodnim kamnom: Prednostno je kislinsko pranje + sredstvo za kompleksiranje;
Organsko in biološko onesnaženje: alkalno pranje + površinsko aktivno sredstvo;
Kombinirano onesnaženje: kemično čiščenje, ki mu sledi fizično čiščenje ali izmenične metode čiščenja;
Membrane, ki se zlahka oksidirajo: Izogibajte se uporabi močnih oksidantov.
Med postopkom čiščenja je treba nadzorovati temperaturo (običajno 25–40 stopinj), da povečate hitrost reakcije in hkrati preprečite poškodbe membrane. Poleg tega je treba posvetiti pozornost hitrosti kroženja in vzorcu pretoka čistilne raztopine, da se zagotovi učinkovito striženje kemičnih sredstev na površini membrane. Po čiščenju je bistveno temeljito izpiranje, da se prepreči sekundarna kontaminacija z ostanki sredstev.
Povzetek
Čiščenje membrane je ključen korak pri stabilnem delovanju sistemov membranskega ločevanja. Pravilna metoda čiščenja lahko ne le učinkovito obnovi delovanje membrane, ampak tudi podaljša življenjsko dobo membrane in zmanjša obratovalne stroške. Fizično čiščenje je preprosto in ekonomično, kemično čiščenje temeljito in učinkovito, biološko čiščenje pa okolju prijazno. S kombinacijo teh treh metod je mogoče razviti celovito in stroškovno-učinkovito rešitev čiščenja, ki temelji na značilnostih umazanije. V prihodnosti bodo z izboljšavami membranskih materialov in razvojem čistilnih tehnologij nizka-poraba kemikalij, avtomatiziran nadzor in inteligentno čiščenje postali glavne usmeritve. Za inženirje za čiščenje vode je obvladovanje mehanizmov in metod vrednotenja čiščenja membran bistven tečaj za izboljšanje zanesljivosti in ekonomičnosti sistema.