Uvod
Keramične membrane so postale prednostna tehnologija za čiščenje vode in odpadne vode zaradi svoje mehanske trdnosti, kemične odpornosti, toplotne stabilnosti in dolge življenjske dobe v primerjavi s polimernimi membranami. Toda kot pri vseh membranskih procesih se keramične membrane soočajo s stalnim problemom: obraščanjem, zlasti z raztopljenimi in makromolekularnimi organskimi snovmi, kot so huminske kisline, beljakovine in naravne organske snovi (NOM). Obraščanje zmanjša pretok permeata, poveča stroške energije in skrajša življenjsko dobo membrane.
Ena obetavnejših rešitev, ki se pojavljajo v zadnjih letih, je združevanje keramičnih membran z generatorji nanomehurčkov (in mikro-nanomehurčkov, MNB). Ta kombinacija se uporablja tako za preprečevanje umazanije med filtracijo kot za čiščenje membran, ki so že umazane - in v nekaterih konfiguracijah za aktivno razgradnjo organskih onesnaževal v sami napajalni vodi.
Kaj so nanomehurčki?
Nanomehurčki so plinski mehurčki s premerom približno 100–200 nanometrov do nekaj mikrometrov -, ki so veliko manjši od mehurčkov, ki nastanejo s konvencionalnim prezračevanjem. Zaradi svoje velikosti se obnašajo zelo drugače kot navadni mehurčki:
- Ne narastejo hitro in ne počijo.Nanomehurčki imajo skoraj-nevtralen vzgon in lahko ostanejo v vodi viseči dneve ali tedne namesto sekund.
- Nosijo negativni površinski naboj, ki jim pomaga, da se adsorbirajo in sodelujejo z organskimi nečistočami in delci, suspendiranimi v vodi.
- Ko se zrušijo, ustvarijo lokalizirane strižne sile in v nekaterih primerih reaktivne kisikove spojine (ROS).kot so hidroksilni radikali (•OH), ki lahko pomagajo pri razgradnji organskih molekul.
- Izrazito povečajo učinkovitost prenosa mase iz-plina v-tekočino, kar je zelo pomembno, če je vpleteni plin močan oksidant, kot je ozon.
Generatorji nanomehurčkov običajno proizvajajo te mehurčke z uporabo enega od nekaj mehanizmov: visoko{0}}strižne rotacijske/venturijeve naprave, sproščanje raztopljenega-plina pod tlakom (podobno flotaciji raztopljenega zraka) ali ultrazvočna kavitacija. Uporabljeni plin je lahko navaden zrak/kisik ali - za bolj agresivno obdelavo - ozon.
Zakaj kombinirati nanomehurčke s keramičnimi membranami?
1. Preprečevanje obraščanja med filtracijo
Mikro in nanomehurčki so dokazali izjemno učinkovitost pri preprečevanju umazanije in pomoči pri čiščenju membran pri različnih filtracijskih tehnikah, pri filtraciji s prečnim tokom pa je uporaba teh mehurčkov obnovila pretok keramične membrane na 80 % po povratnem pranju.Mehurčki se običajno vnesejo v dovodni tok ali uporabijo med cikli povratnega izpiranja, kjer pomagajo očistiti površino membrane in porušiti plast pogače organskih nečistoč, preden se strdi.
2. Izboljšano čiščenje-na-mestu (CIP) z ozonom
Morda najbolj raziskana aplikacija je kombiniranje ozona z ustvarjanjem nanomehurčkov za CIP čiščenje keramičnih membran, umazanih z raztopljenimi in makromolekularnimi organskimi snovmi.Tehnologija z ozonskimi mikro-nano-mehurčki lahko učinkovito zrahlja strukturo umazanije na površini membrane, kar zmanjša oprijem umazanije, hidroksilni radikali, ki nastanejo s katalizo aluminijevega oksida v keramični membrani, pa lahko dosežejo globinsko čiščenje onesnažene membrane.Nanomehurčki zagotavljajo strižno silo, potrebno za fizično odstranitev plasti umazanije, hkrati pa dosegajo veliko večjo učinkovitost prenosa mase ozona kot običajna difuzija z mehurčki -, kar pomeni, da se porabi manj plina ozona in da ga več dejansko reagira z umazanijo.
Izdelana sorodna študijanov sistem generatorja-nanomehurčkov ozona za čiščenje umazane keramične membrane, ki se običajno uporablja v industriji barvil, in ugotovil, da so se površinske lastnosti membrane znatno spremenile, z zmanjšano površinsko hrapavostjo in kopičenjem umazanije, kar je potrjeno z mikroskopijo na atomsko silo, vrstično elektronsko mikroskopijo, rentgensko-fluorescenco in energijsko-disperzijsko spektroskopijo.Infrardeča (FTIR) spektroskopija s Fourierjevo-transformacijo ostanka umazanije je pokazala značilne organske znake - vodikovih-veznih skupin in nenasičenih ogljik-ogljikovih vezi - v skladu z ozonskimi nanomehurčki, ki razgrajujejo kompleksne organske umazanije, namesto da bi jih preprosto odstranili nedotaknjene.
3. Nanomehurčki zraka/kisika kot nižja-cenovna alternativa
Vsaka aplikacija ne zahteva ozona.Ghadimkhani et al. je pokazal uspešno odmašitev por keramične membrane z uporabo zračnih nanomehurčkov v pilotnih- in-raziskavah na merilu, s čimer je obnovil pretok permeata na prvotne vrednosti.V enem poskusu,huminska kislina je popolnoma zamašila keramično membrano v 6 urah in zmanjšala pretok skoraj na nič, ko pa je bila umazana membrana napolnjena z vodo iz nanomehurčkov, se je začetni tok obnovil v 2 urah - učinek, ki ga pripisujejo razpadu organske snovi s prostimi radikali, ki nastanejo, ko se zračni nanomehurčki sesedejo.To nakazuje, da lahko tudi brez močnega oksidanta, kot je ozon, fizični kolaps nanomehurčkov ustvari dovolj lokaliziranih reaktivnih vrst, ki pomagajo razgraditi adsorbirane organske snovi.
Zračni nanomehurčki so privlačni, ker se izognejo kapitalskim in varnostnim stroškom -nastajanja ozona na kraju samem, zaradi česar so bolj dostopna možnost za manjše čistilne naprave ali industrije, kot je predelava mleka, kjer se je tudi izkazalo, da nanomehurčki izboljšajo pretok in skrajšajo čas filtracije.
4. Predobdelava za nadaljnje membranske procese
Keramične membrane se uporabljajo tudi kot korak predobdelave pred tesnejšimi membranami, kot je nanofiltracija (NF), pristopi s pomočjo nanomehurčkov/{0}}ozona pa lahko izboljšajo učinkovitost te predobdelave. V eni študiji pitne{2}}vode-odpadne vode iz proizvodnje rastlinpostopek hibridne keramične membrane in nanofiltracije je dosegel povprečno stopnjo odstranitve 95,60 % za raztopljeni organski ogljik, 98,55 % za UV254 (približek za vsebnost aromatičnih organskih snovi), 34,50 % za prevodnost in 50,71 % za kalcij - izboljšave 4,70 %, 1,40 %, 16,37 % in 10,36 % v primerjavi s samostojno nanofiltracijo. Predobdelava keramične membrane je prav tako zmanjšala nepopravljivo umazanijo spodnje NF membrane v različnih koncentracijah onesnaževal, vrstična elektronska mikroskopija pa je potrdila, da je ta predobdelava ublažila umazanijo na površini NF membrane.
Ločeno je bilo raziskano površinsko izpiranje-na osnovi ozona kot način za zmanjšanje potrebe po običajni mikrofiltracijski/ultrafiltracijski predobdelavi pred keramičnimi nanofiltracijskimi membranami. Konvencionalna predobdelava z več-medijsko filtracijo, mikrofiltracijo ali ultrafiltracijo pred nanofiltracijo doda znatne kapitalske stroške, fizični odtis in zapletenost sistema, zato je zamenjava-predobdelave na podlagi filtracije s postopkom na podlagi-ozona privlačen način za zmanjšanje stroškov in odtisa, zlasti v nastavitvah recikliranja vode v mestih.
5. Neposredna razgradnja organskih onesnaževal
Poleg čiščenja membran se sistemi mikro-nanomehurčkov vedno bolj preučujejo kot napredna oksidacijska-sosednja tehnologija sama po sebi.V eni študiji čiščenja odpadne vode je kombinacija generatorja hidrodinamične kavitacije z dodatnim postopkom oksidacije povečala skupno učinkovitost odstranjevanja organskega ogljika na 40,01 % v 90 minutah v primerjavi s samo 14,61 % pri uporabi samega generatorja kavitacije. To ponazarja, da sistemi z nanomehurčki/kavitacijo pogosto najbolje delujejo kot del hibridnega procesa in ne kot samostojna obdelava.
Kako deluje tipičen sistem
Kombinirani sistem nano mehurčkov in keramične membrane na splošno vključuje:
- Oskrba s plinom- zunanji zrak, kisik ali ozon, ki nastanejo na-na mestu.
- Generator nano mehurčkov- venturijevo cev, strižno-črpalko ali-enoto za raztapljanje pod tlakom, ki vbrizga plin v vodo kot nanomehurčke.
- Stopnja stika/reakcije- nanobubble-obogatena voda se neprekinjeno dovaja v dovodni tok membrane ali pa se uporablja v periodičnih ciklih povratnega izpiranja/CIP.
- Keramični membranski modul- običajno cevasti ali ravni -pločasti elementi na osnovi aluminijevega oksida, cirkonijevega oksida ali-titana, ki delujejo v prečnem ali slepem-načinu.
- Spremljanje- tok in transmembranski tlak se spremljata, da se ugotovi, kdaj je potreben cikel čiščenja s pomočjo-nanomehurčkov.
Prednosti kombiniranega pristopa
- Večja regeneracija tokapo čiščenju, pogosto brez močnih kemičnih čistilnih sredstev.
- Zmanjšana poraba kemikalij- še posebej dragocen tam, kjer ozonski nanomehurčki nadomestijo ali zmanjšajo uporabo kislinskih/jedkih čistilnih kemikalij.
- Boljši prenos mase oksidantov, zato je za enak učinek čiščenja potrebno manj ozona ali zraka.
- Podaljšana življenjska doba membranezaradi nežnejšega, bolj enakomernega čiščenja v primerjavi z agresivnim kemičnim ali mehanskim čiščenjem.
- Možnost zmanjšanja odtisa predobdelavekadar se uporablja pred tesnejšimi membranami, kot sta NF ali RO.
Omejitve in odprta vprašanja
Kljub obetavnim rezultatom raziskovalci opažajo nekaj vrzeli:
Vpliv velikosti mehurčkov in koncentracije na nadzor obraščanja še ni popolnoma razumljen, optimalni parametri delovanja pa so lahko specifični za sistem- in onesnaženje-.
Sistemi z ozonskimi nanomehurčki zahtevajo natančno preverjanje združljivosti materialov, upravljanje iz-plinov in varnostne kontrole glede na toksičnost ozona.
Večina objavljenih rezultatov izvira iz preizkusnih- ali pilotnih-študij; obsežni-dolgoročni-operativni podatki so še vedno omejeni.
Učinkovitost je močno odvisna od narave organske nečistoče (npr. huminske kisline v primerjavi s proteini v primerjavi s sintetičnimi barvili), zato rezultati niso vedno posplošeni med aplikacijami.
Zaključek
Združevanje generatorjev nanomehurčkov s keramičnimi membranami predstavlja enega bolj praktičnih napredkov pri nadzoru umazanije pri čiščenju vode in odpadne vode. Ne glede na to, ali se uporablja za preprečevanje umazanije med filtracijo, ozonsko{1}}izboljšano CIP čiščenje ali kot predobdelavo pred nanofiltracijo, tehnologija izkorišča edinstveno fiziko nanomehurčkov - dolgo stabilnost, visoko površinsko reaktivnost in učinkovit prenos plina - za zmanjšanje uporabe kemikalij, obnovitev toka in podaljšanje življenjske dobe membrane. Ko bodo osnovni mehanizmi bolje opredeljeni, bo ta kombinacija verjetno deležna širše uporabe pri čiščenju pitne vode, čiščenju industrijske odpadne vode in aplikacijah za ponovno uporabo vode.