Introducere
Membranele ceramice au devenit o tehnologie preferată pentru tratarea apei și a apelor uzate datorită rezistenței lor mecanice, rezistenței chimice, stabilității termice și duratei de viață lungi în comparație cu membranele polimerice. Dar, ca orice proces cu membrană, membranele ceramice suferă de o problemă persistentă: murdărirea, în special din cauza materiei organice dizolvate și macromoleculare, cum ar fi acizii humici, proteinele și materia organică naturală (NOM). Murdarea reduce fluxul de permeat, crește costurile de energie și scurtează durata de viață a membranei.
Una dintre soluțiile cele mai promițătoare care au apărut în ultimii ani este asocierea membranelor ceramice cu generatoare de nanobule (și micro-nanobulle, MNB). Această combinație este utilizată atât pentru a preveni murdărirea în timpul filtrării, cât și pentru a curăța membranele care sunt deja murdare - și, în unele configurații, pentru a degrada în mod activ poluanții organici din apa de alimentare în sine.
Ce sunt nanobulele?
Nanobulele sunt bule de gaz cu un diametru de aproximativ 100–200 de nanometri până la câțiva micrometri - mult mai mici decât bulele produse prin aerarea convențională. Din cauza dimensiunii lor, se comportă foarte diferit față de bulele obișnuite:
- Nu se ridică repede și nu se ridică.Nanobulele au o flotabilitate aproape-neutră și pot rămâne suspendate în apă zile sau săptămâni în loc de secunde.
- Ele poartă o sarcină negativă de suprafață, care îi ajută să se adsorbe și să interacționeze cu impuritățile organice și particulele suspendate în apă.
- Când se prăbușesc, generează forțe de forfecare localizate și, în unele cazuri, specii reactive de oxigen (ROS)precum radicalii hidroxil (•OH), care pot ajuta la descompunerea moleculelor organice.
- Ele măresc dramatic eficiența transferului de masă a gaz-la-lichid, care contează foarte mult atunci când gazul implicat este un oxidant puternic precum ozonul.
Generatoarele de nanobule produc de obicei aceste bule folosind unul dintre câteva mecanisme: dispozitive cu rotație/venturi cu forfecare mare-, eliberare de gaz dizolvat-presurizat (similar cu flotația cu aer dizolvat) sau cavitație ultrasonică. Gazul utilizat poate fi aer simplu/oxigen sau - pentru un tratament mai agresiv - ozon.
De ce să combinați nanobulele cu membrane ceramice?
1. Prevenirea murdăririi în timpul filtrării
Micro-bulele și nanobulele au demonstrat o eficacitate remarcabilă în prevenirea murdăriei și pentru a ajuta la curățarea membranei prin diverse tehnici de filtrare, iar în filtrarea cu flux încrucișat, utilizarea acestor bule a restabilit fluxul membranei ceramice la 80% după spălare în contra.Bulele sunt introduse în mod obișnuit în fluxul de alimentare sau utilizate în timpul ciclurilor de spălare inversă, unde ajută la curățarea suprafeței membranei și la distrugerea stratului de turtă de impurități organice înainte de a se consolida.
2. Curățare chimică îmbunătățită-in-la loc (CIP) cu ozon
Poate cea mai cercetată aplicație este combinarea ozonului cu generarea de nanobule pentru curățarea CIP a membranelor ceramice murdare de substanțe organice dizolvate și macromoleculare.Tehnologia cu micro-nano-bule de ozon poate slăbi în mod eficient structura stratului de murdărie de pe suprafața membranei, reducând aderența impurităților, iar radicalii hidroxil produși prin cataliza de către alumina din membrana ceramică pot realiza curățarea profundă a membranei contaminate.Nanobulele furnizează forța de forfecare necesară pentru dislocarea fizică a stratului de murdărie, în timp ce realizează simultan o eficiență mult mai mare a transferului de masă a ozonului decât difuzia convențională a bulelor -, ceea ce înseamnă că se irosește mai puțin ozon gazos și mai mult din acesta reacţionează efectiv cu agentul murdar.
Un studiu aferent construitun nou sistem generator de-nanobule de ozon pentru a curăța o membrană ceramică murdară utilizată în mod obișnuit în industria coloranților și a constatat că caracteristicile suprafeței membranei s-au schimbat semnificativ, cu o rugozitate redusă a suprafeței și acumulare de impurități, așa cum este confirmat de microscopia cu forță atomică, microscopia electronică cu scanare, fluorescența cu raze X și{2}spectroscopie{2}energetică.Spectroscopia în infraroșu cu transformă Fourier (FTIR) a impurității reziduale a arătat semnături organice caracteristice - grupări legate de hidrogen-și carbon nesaturat-legături de carbon - în concordanță cu nanobulele de ozon care descompun moleculele complexe de impurități organice, mai degrabă decât pur și simplu blocarea lor în discuri.
3. Nanobule de aer/oxigen ca alternativă cu costuri mai mici-
Nu toate aplicațiile necesită ozon.Ghadimkhani și colab. a demonstrat desfundarea cu succes a porilor membranei ceramice folosind nanobule de aer atât în investigații la scară pilot-, cât și la scară-de banc, restabilind fluxul de permeat la valorile sale originale.Într-un experiment,acidul humic a înfundat complet o membrană ceramică în decurs de 6 ore, reducând fluxul aproape la zero, dar când membrana murdară a fost alimentată cu apă cu nanobule, fluxul inițial a fost restabilit în 2 ore - un efect atribuit descompunerii materiei organice de către radicalii liberi generați pe măsură ce nanobulele de aer s-au prăbușit.Acest lucru sugerează că, chiar și fără un oxidant puternic precum ozonul, colapsul fizic al nanobulelor poate genera suficiente specii reactive localizate pentru a ajuta la degradarea organicelor adsorbite.
Nanobulele de aer sunt atractive deoarece evită costurile de capital și de siguranță ale-generării de ozon la fața locului, făcându-le o opțiune mai accesibilă pentru stațiile de tratare mai mici sau industrii precum procesarea produselor lactate, unde s-a demonstrat că nanobulele îmbunătățesc fluxul și reduc timpul de filtrare.
4. Pretratare pentru procesele cu membrană din aval
Membranele ceramice sunt, de asemenea, folosite ca un pas de pretratare înaintea membranelor mai strânse, cum ar fi nanofiltrarea (NF), iar abordările asistate cu nanobule/ozon-poate îmbunătăți cât de bine funcționează pretratarea. Într-un studiu asupra apei uzate de la producția de apă potabilă--instalată,un proces hibrid de membrană ceramică-nanofiltrare a atins rate medii de îndepărtare de 95,60% pentru carbonul organic dizolvat, 98,55% pentru UV254 (un proxy pentru conținutul organic aromatic), 34,50% pentru conductivitate și 50,71% pentru calciu - îmbunătățiri de 4,70%, 1,6,1%, respectiv 1,40,3%, respectiv 1,40,3% nanofiltrare de sine stătătoare. Pretratarea membranei ceramice a redus, de asemenea, murdărirea ireversibilă a membranei NF din aval într-un interval de concentrații de poluanți, iar microscopia electronică de scanare a confirmat că acest pretratament a atenuat murdărirea pe suprafața membranei NF.
Separat, spălarea suprafeței pe bază de ozon-a fost explorată ca o modalitate de a reduce nevoia de pretratare convențională de microfiltrare/ultrafiltrare înaintea membranelor ceramice de nanofiltrare. Pretratarea convențională care utilizează filtrarea multi-media, microfiltrarea sau ultrafiltrarea înainte de nanofiltrare adaugă costuri de capital semnificative, amprenta fizică și complexitatea sistemului, astfel încât înlocuirea pretratării bazate pe filtrare-cu un proces bazat pe ozon- este o modalitate atractivă de a reduce costurile și amprenta, în special în mediile urbane de reciclare a apei.
5. Degradarea directă a poluanților organici
Dincolo de curățarea membranei, sistemele cu micro-nanobule sunt din ce în ce mai studiate ca o tehnologie avansată de oxidare-adiacentă în sine.Într-un studiu de tratare a apelor uzate, combinarea unui generator de cavitație hidrodinamică cu un proces suplimentar de oxidare a crescut eficiența totală de îndepărtare a carbonului organic la 40,01% în 90 de minute, comparativ cu doar 14,61% folosind doar generatorul de cavitație.
Cum funcționează un sistem tipic
Un sistem combinat de nanobule-membrană ceramică include în general:
- Alimentare cu gaz- aer ambiental, oxigen sau ozon generat pe-site-ul.
- Generator de nanobule- un venturi, o pompă de forfecare-sau o unitate de dizolvare-presurizată care injectează gazul în apă sub formă de nanobule.
- Stadiul de contact/reacțieApa îmbogățită cu - nanobule-fie este alimentată continuu în fluxul de alimentare cu membrană, fie este utilizată în cicluri periodice de spălare în contravaloare/CIP.
- Modul cu membrană ceramică- în mod obișnuit, elemente de tablă tubulară sau plate-pe bază de alumină, zirconiu sau titan-, care funcționează în modul de curgere încrucișată sau în modul mort-.
- MonitorizareFluxul - și presiunea transmembranară sunt urmărite pentru a determina când este necesar un ciclu de curățare asistat cu nanobule-.
Avantajele abordării combinate
- Recuperare mai mare a fluxuluidupă curățare, adesea fără agenți de curățare chimici duri.
- Consum redus de substanțe chimice- deosebit de valoroasă acolo unde nanobulele de ozon înlocuiesc sau reduc utilizarea substanțelor chimice de curățare acide/caustice.
- Transfer mai bun de masă al oxidanților, deci este nevoie de mai puțin ozon sau aer pentru a obține același efect de curățare.
- Durată de viață extinsă a membraneidatorită curățării mai blânde și mai uniforme în comparație cu curățarea chimică sau mecanică agresivă.
- Potențial de micșorare a amprentei de pretratareatunci când este folosit înaintea membranelor mai strânse precum NF sau RO.
Limitări și întrebări deschise
În ciuda rezultatelor promițătoare, cercetătorii observă câteva lacune:
Influența mărimii și a concentrației bulelor asupra controlului murdăriei nu este încă pe deplin înțeleasă, iar parametrii optimi de funcționare pot fi specifici sistemului- și agentului-de impurități.
Sistemele cu nanobule de ozon necesită verificări atente ale compatibilității materialelor, gestionarea-gazelor reziduale și controale de siguranță, având în vedere toxicitatea ozonului.
Cele mai multe rezultate publicate provin din studii la scară- sau pilot-; Datele operaționale pe scară mare-, pe termen lung, sunt încă limitate.
Performanța depinde în mare măsură de natura impurității organice (de exemplu, acizi humici vs. proteine vs. coloranți sintetici), astfel încât rezultatele nu se generalizează întotdeauna în aplicații.
Concluzie
Asocierea generatoarelor de nanobule cu membrane ceramice reprezintă unul dintre cele mai practice progrese în controlul murdăriei pentru tratarea apei și a apelor uzate. Indiferent dacă este utilizată pentru prevenirea murdăriei în timpul filtrării, curățarea CIP îmbunătățită cu ozon-sau ca pretratare înainte de nanofiltrare, tehnologia valorifică fizica unică a nanobulelor - stabilitatea lungă, reactivitatea ridicată la suprafață și transferul eficient de gaz - pentru a reduce utilizarea chimică, a restabili fluxul și a prelungi durata de viață a membranei. Pe măsură ce mecanismele de bază devin mai bine caracterizate, această combinație va avea probabil o adoptare mai largă în aplicațiile de tratare a apei potabile, tratare a apelor uzate industriale și aplicații de reutilizare a apei.