Uvod
Keramičke membrane postale su poželjna tehnologija za prečišćavanje vode i otpadnih voda zahvaljujući svojoj mehaničkoj čvrstoći, hemijskoj otpornosti, termičkoj stabilnosti i dugom vijeku trajanja u odnosu na polimerne membrane. Ali kao i svaki membranski proces, keramičke membrane pate od trajnog problema: onečišćenja, posebno otopljenih i makromolekularnih organskih tvari kao što su huminske kiseline, proteini i prirodne organske tvari (NOM). Onečišćenje smanjuje protok permeata, povećava troškove energije i skraćuje vijek trajanja membrane.
Jedno od obećavajućih rješenja koja se pojavljuju posljednjih godina je uparivanje keramičkih membrana sa generatorima nanomjehurića (i mikro-nanobubble, MNB). Ova kombinacija se koristi i za sprečavanje zagađivanja tokom filtracije i za čišćenje membrana koje su već onečišćene - i u nekim konfiguracijama za aktivno razgradnju organskih zagađivača u samoj napojnoj vodi.
Šta su nanomehurići?
Nanomjehurići su plinoviti mjehurići otprilike 100-200 nanometara do nekoliko mikrometara u prečniku - 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 skoro{0}}neutralnu uzgonu i mogu ostati u vodi danima ili sedmicama umjesto nekoliko sekundi.
- Nose negativan površinski naboj, koji im pomaže da se adsorbiraju na organske zagađivače i čestice suspendirane u vodi i stupaju u interakciju s njima.
- 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 efikasnost prijenosa mase-u-tečnost, što je jako bitno kada je uključeni plin jak oksidans poput ozona.
Generatori nanomjehurića obično proizvode ove mjehuriće koristeći jedan od nekoliko mehanizama: visoko-rotacijski/venturi uređaji sa visokim smicanjem, otpuštanje otopljenog-gasa pod pritiskom (slično flotaciji otopljenog zraka) ili ultrazvučna kavitacija. Plin koji se koristi može biti običan zrak/kiseonik, ili - za agresivniji tretman - ozon.
Zašto kombinovati nanomehuriće sa keramičkim membranama?
1. Sprečavanje prljanja tokom filtriranja
Mikro i nano mjehurići su pokazali izuzetnu efikasnost u sprječavanju onečišćenja i pomaganju pri čišćenju membrane kroz različite tehnike filtracije, a u poprečnoj filtraciji, upotreba ovih mjehurića je vratila tok keramičke membrane na 80% nakon povratnog ispiranja.Mjehurići se obično uvode u struju za punjenje ili se koriste tokom ciklusa povratnog ispiranja, gdje pomažu u ribanju površine membrane i narušavanju sloja kolača od organskih zagađivača prije nego što se konsoliduje.
2. Poboljšano hemijsko-na{2}} mjesto (CIP) čišćenje ozonom
Možda najistraženija primjena je kombinacija ozona sa stvaranjem nanomjehurića za CIP čišćenje keramičkih membrana zaprljanih otopljenim i makromolekularnim organskim tvarima.Tehnologija mikro-nano-ozonskih mjehurića može efikasno olabaviti strukturu zagađivača na površini membrane, smanjujući prianjanje zagađivača, a hidroksilni radikali proizvedeni katalizom glinice u keramičkoj membrani mogu postići dubinsko čišćenje kontaminirane membrane.Nanomjehurići pružaju silu smicanja potrebnu za fizičko uklanjanje sloja zagađivača, dok istovremeno postižu mnogo veću efikasnost prijenosa mase ozona od konvencionalne difuzije mjehurića - što znači da se manje ozonskog plina troši i više ga zapravo reagira sa zagađivačem.
Izgrađena je povezana studijanovi sistem generatora-nanomjehurića ozona za čišćenje onečišćene keramičke membrane koja se tipično koristi u industriji boja i otkrio je da su se površinske karakteristike membrane značajno promijenile, uz smanjenu hrapavost površine i akumulaciju nečistoća što je potvrđeno mikroskopijom atomske sile, skenirajućom elektronskom mikroskopijom, X-energetskom{1}} zračenjem, rentgenskim{1}}i fluorescentnim spektrom.Fourier-infracrvena (FTIR) spektroskopija zaostalog zagađivača pokazala je karakteristične organske potpise - grupe vezanih vodonikom- i nezasićene ugljične-ugljične veze - u skladu sa ozonskim nanomjehurićima koji radije razgrađuju kompleksne organske nečistoće nego jednostavno razgrađuju kompleksne organske nečistoće.
3. Nanomjehurići zraka/kiseonika kao niža-alternativa
Ne zahtijeva svaka primjena ozon.Ghadimkhani i dr. demonstrirao uspješno otčepljivanje pora na keramičkoj membrani korištenjem nanomjehurića zraka u pilot- i bend- ispitivanjima, vraćajući tok permeata na njegove originalne vrijednosti.U jednom eksperimentu,huminska kiselina je u potpunosti začepila keramičku membranu u roku od 6 sati, smanjujući protok skoro na nulu, ali kada je zagađena membrana napajana vodom s nanomjehurićima, početni fluks je obnovljen u roku od 2 sata -, što je efekat koji se pripisuje razgradnji organske tvari slobodnim radikalima koji nastaju kada se nanomjehurići zraka sruše.Ovo sugerira da čak i bez jakog oksidansa kao što je ozon, fizički kolaps nanomjehurića može stvoriti dovoljno lokaliziranih reaktivnih vrsta koje pomažu u razgradnji adsorbiranih organskih tvari.
Nanomjehurići zraka su atraktivni jer izbjegavaju kapitalne i sigurnosne troškove proizvodnje ozona na licu mjesta, što ih čini dostupnijom opcijom za manje pogone za prečišćavanje ili industrije kao što je prerada mlijeka, gdje se pokazalo da nanomjehurići poboljšavaju protok i smanjuju vrijeme filtracije.
4. Predtretman za nizvodne membranske procese
Keramičke membrane se također koriste kao korak prije tretmana ispred čvršćih membrana kao što je nanofiltracija (NF), a pristupi potpomognuti nanomjehurićima/ozonom{0}} mogu poboljšati koliko dobro taj predtretman funkcionira. U jednoj studiji o otpadnim vodama biljne proizvodnje-vode-,hibridna keramička membrana-nanofiltracija proces je postigao prosječne stope uklanjanja od 95,60% za otopljeni organski ugljik, 98,55% za UV254 (proxy za aromatični organski sadržaj), 34,50% za provodljivost i 50,71% za kalcij - 70%, poboljšanja od 1,1%, 1,1%, 10,36% u odnosu na samostalnu nanofiltraciju. Predtretman keramičke membrane je također smanjio nepovratno onečišćenje nizvodne NF membrane u nizu koncentracija zagađivača, a skenirajuća elektronska mikroskopija je potvrdila da je ovaj predtretman ublažio onečišćenje na površini NF membrane.
Odvojeno, površinsko ispiranje bazirano na ozonu{0}} je istraženo kao način da se smanji potreba za konvencionalnom mikrofiltracijom/ultrafiltracijom predobradom prije keramičkih nanofiltracijskih membrana. Konvencionalni predtretman upotrebom multi-filtracije medija, mikrofiltracije ili ultrafiltracije prije nanofiltracije dodaje značajne kapitalne troškove, fizički otisak i kompleksnost sistema, tako da je zamjena predtretmana zasnovanog na filtraciji-baziranim na ozonu-postupkom privlačan način za smanjenje troškova i otiska, posebno u postavkama recikliranja vode u urbanim sredinama.
5. Direktna degradacija organskih zagađivača
Osim čišćenja membrane, mikro-sistemi nanomjehurića se sve više proučavaju kao napredna oksidaciona-susjedna tehnologija sama po sebi.U jednoj studiji tretmana otpadnih voda, kombinovanje hidrodinamičkog generatora kavitacije sa dodatnim procesom oksidacije podiglo je ukupnu efikasnost uklanjanja organskog ugljenika na 40,01% tokom 90 minuta, u poređenju sa samo 14,61% kada se koristi samo kavitacioni generator. Ovo ilustruje da sistemi nanomehurića/kavitacije često rade najbolje kao deo samostalnog procesa, a ne kao hibridni proces.
Kako tipičan sistem funkcionira
Kombinirani sistem nanomjehurića i keramičke membrane općenito uključuje:
- Snabdevanje gasom- ambijentalni zrak, kiseonik ili ozon generirani na-lokaciji.
- Generator nanomjehurića- venturijeva, smicajna-pumpa ili jedinica za rastvaranje pod pritiskom{2}} koja ubrizgava plin u vodu u obliku nanomjehurića.
- Faza kontakta/reakcijeVoda obogaćena - nanomjehurićima-u kontinuitetu se dovodi u tok membrane ili se koristi u periodičnim ciklusima povratnog ispiranja/CIP.
- Keramički membranski modul- tipično cjevasti ili ravni-elementi na bazi aluminijuma, cirkonija ili titanija-bazirani u poprečnom ili slijepom{3}} načinu rada.
- Monitoring- tok i transmembranski pritisak se prate kako bi se utvrdilo kada je potreban ciklus čišćenja uz pomoć nanomjehurića{1}}.
Prednosti kombinovanog pristupa
- Veći oporavak fluksanakon čišćenja, često bez jakih hemijskih sredstava za čišćenje.
- Smanjena potrošnja hemikalija- posebno vrijedan tamo gdje nanomjehurići ozona zamjenjuju ili smanjuju upotrebu kiselina/kaustičnih hemikalija za čišćenje.
- Bolji prijenos mase oksidansa, tako da je potrebno manje ozona ili zraka za postizanje istog učinka čišćenja.
- Produženi vijek trajanja membranezbog nježnijeg, ujednačenijeg čišćenja u odnosu na agresivno kemijsko ili mehaničko čišćenje.
- Potencijal za smanjenje otiska predtretmanakada se koristi ispred čvršćih membrana kao što su 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 biti specifični za sistem- i štetne tvari-.
Sistemi ozonskih nanomjehurića zahtijevaju pažljive provjere kompatibilnosti materijala, upravljanje -gasom i sigurnosne kontrole s obzirom na toksičnost ozona.
Većina objavljenih rezultata dolazi iz benč- ili pilot{1}}studija; veliki-dugoročni-operativni podaci još uvijek su ograničeni.
Performanse u velikoj meri zavise od prirode organskog zagađivača (npr. huminske kiseline naspram proteina naspram sintetičkih boja), tako da se rezultati ne generalizuju uvek u različitim primenama.
Zaključak
Uparivanje generatora nanomjehurića s keramičkim membranama predstavlja jedan od praktičnijih napretka u kontroli zagađivanja za tretman vode i otpadnih voda. Bilo da se koristi za prevenciju onečišćenja tokom filtracije, ozonom{1}}poboljšanog CIP čišćenja, ili kao predtretman prije nanofiltracije, tehnologija koristi jedinstvenu fiziku nanomjehurića - dugu stabilnost, visoku površinsku reaktivnost i efikasan prijenos plina - kako bi se smanjila upotreba kemikalija, obnovio protok membrane i produžio vijek trajanja. Kako osnovni mehanizmi budu bolje okarakterizirani, ova kombinacija će vjerovatno imati širu primjenu u aplikacijama za tretman vode za piće, tretman industrijskih otpadnih voda i ponovnu upotrebu vode.