Εισαγωγή
Οι κεραμικές μεμβράνες έχουν γίνει μια προτιμώμενη τεχνολογία για την επεξεργασία νερού και λυμάτων χάρη στη μηχανική τους αντοχή, τη χημική αντοχή, τη θερμική σταθερότητα και τη μεγάλη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τις πολυμερείς μεμβράνες. Αλλά όπως κάθε διαδικασία μεμβράνης, οι κεραμικές μεμβράνες υποφέρουν από ένα επίμονο πρόβλημα: ρύπανση, ειδικά από διαλυμένη και μακρομοριακή οργανική ύλη όπως χουμικά οξέα, πρωτεΐνες και φυσική οργανική ύλη (NOM). Η ρύπανση μειώνει τη ροή του διηθήματος, αυξάνει το ενεργειακό κόστος και μειώνει τη διάρκεια ζωής της μεμβράνης.
Μία από τις πιο ελπιδοφόρες λύσεις που αναδύθηκαν τα τελευταία χρόνια είναι ο συνδυασμός κεραμικών μεμβρανών με γεννήτριες νανοφυσαλίδων (και μικρο-νανοφυσαλίδων, MNB). Αυτός ο συνδυασμός χρησιμοποιείται τόσο για την αποφυγή ρύπανσης κατά τη διήθηση όσο και για τον καθαρισμό μεμβρανών που έχουν ήδη λερωθεί - και σε ορισμένες διαμορφώσεις, για την ενεργή αποικοδόμηση οργανικών ρύπων στο ίδιο το νερό τροφοδοσίας.
Τι είναι οι νανοφυσαλίδες;
Οι νανοφυσαλίδες είναι φυσαλίδες αερίου με διάμετρο περίπου 100–200 νανόμετρα έως μερικά μικρόμετρα - πολύ μικρότερες από τις φυσαλίδες που παράγονται με συμβατικό αερισμό. Λόγω του μεγέθους τους, συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά από τις συνηθισμένες φυσαλίδες:
- Δεν σηκώνονται γρήγορα και σκάνε.Οι νανοφυσαλίδες έχουν σχεδόν-ουδέτερη άνωση και μπορούν να παραμείνουν αιωρούμενες στο νερό για μέρες ή εβδομάδες αντί για δευτερόλεπτα.
- Φέρουν αρνητικό επιφανειακό φορτίο, το οποίο τα βοηθά να προσροφηθούν και να αλληλεπιδράσουν με οργανικά ρυπαντικά και σωματίδια που αιωρούνται στο νερό.
- Όταν καταρρέουν, δημιουργούν εντοπισμένες δυνάμεις διάτμησης και, σε ορισμένες περιπτώσεις, αντιδρώντα είδη οξυγόνου (ROS)όπως οι ρίζες υδροξυλίου (•OH), οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στη διάσπαση των οργανικών μορίων.
- Αυξάνουν δραματικά την απόδοση μεταφοράς αέριου-σε-υγρής μάζας, το οποίο έχει μεγάλη σημασία όταν το εμπλεκόμενο αέριο είναι ένα ισχυρό οξειδωτικό όπως το όζον.
Οι γεννήτριες νανοφυσαλίδων συνήθως παράγουν αυτές τις φυσαλίδες χρησιμοποιώντας έναν από τους λίγους μηχανισμούς: συσκευές περιστροφής/βεντούρι υψηλής διάτμησης, απελευθέρωση αερίου υπό πίεση (παρόμοιο με την επίπλευση διαλυμένου αέρα) ή σπηλαίωση με υπερήχους. Το αέριο που χρησιμοποιείται μπορεί να είναι απλός αέρας/οξυγόνο ή - για πιο επιθετική επεξεργασία - όζον.
Γιατί να συνδυάσετε νανοφυσαλίδες με κεραμικές μεμβράνες;
1. Πρόληψη ρύπανσης κατά τη διήθηση
Οι μικροφυσαλίδες και οι νανοφυσαλίδες έχουν επιδείξει αξιοσημείωτη αποτελεσματικότητα στην πρόληψη της ρύπανσης και στην υποβοήθηση του καθαρισμού της μεμβράνης σε διάφορες τεχνικές φιλτραρίσματος και στη διήθηση διασταυρούμενης ροής, η χρήση αυτών των φυσαλίδων αποκατέστησε τη ροή της κεραμικής μεμβράνης στο 80% μετά την αντίστροφη πλύση.Οι φυσαλίδες εισάγονται τυπικά στο ρεύμα τροφοδοσίας ή χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια των κύκλων πλύσης, όπου βοηθούν στο καθαρισμό της επιφάνειας της μεμβράνης και διαταράσσουν το στρώμα κέικ των οργανικών ρύπων προτού στερεοποιηθεί.
2. Ενισχυμένος χημικός καθαρισμός-in-Place (CIP) με όζον
Ίσως η πιο ερευνητική εφαρμογή είναι ο συνδυασμός του όζοντος με τη δημιουργία νανοφυσαλίδων για τον καθαρισμό με CIP κεραμικών μεμβρανών που έχουν λερωθεί από διαλυμένα και μακρομοριακά οργανικά.Η τεχνολογία μικρο-νανο-φυσαλίδων όζοντος μπορεί να χαλαρώσει αποτελεσματικά τη δομή του στρώματος ρύπανσης στην επιφάνεια της μεμβράνης, μειώνοντας την πρόσφυση των ρύπων και οι ρίζες υδροξυλίου που παράγονται μέσω της κατάλυσης από την αλουμίνα στην κεραμική μεμβράνη μπορούν να επιτύχουν βαθύ καθαρισμό της μολυσμένης μεμβράνης.Οι νανοφυσαλίδες παρέχουν τη δύναμη διάτμησης που απαιτείται για την φυσική απομάκρυνση του ρυπαντικού στρώματος, ενώ ταυτόχρονα επιτυγχάνουν πολύ υψηλότερη απόδοση μεταφοράς μάζας όζοντος από τη συμβατική διάχυση φυσαλίδων - που σημαίνει ότι σπαταλάται λιγότερο αέριο όζοντος και περισσότερο αντιδρά με το ρύπο.
Έγινε σχετική μελέτηένα νέο σύστημα-γεννήτριας νανοφυσαλίδων όζοντος για τον καθαρισμό μιας ρυπασμένης κεραμικής μεμβράνης που χρησιμοποιείται συνήθως στη βιομηχανία βαφής και διαπίστωσε ότι τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας της μεμβράνης άλλαξαν σημαντικά, με μειωμένη τραχύτητα επιφάνειας και συσσώρευση ρύπων, όπως επιβεβαιώθηκε από μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, μικροσκόπιο ηλεκτρονίων σάρωσης, ενέργεια {1}διαφάνειας X{1}, και ακτίνες X{1} φασματοσκοπία.Η φασματοσκοπία υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR) του υπολειπόμενου ρυπαντικού έδειξε χαρακτηριστικές οργανικές υπογραφές - δεσμευμένες ομάδες υδρογόνου-και ακόρεστους άνθρακα-δεσμούς άνθρακα - που συνάδουν με τις νανοφυσαλίδες του όζοντος που απλώς τις διασπούν σε μοριακά σύνθετα οργανικά.
3. Νανοφυσαλίδες αέρα/οξυγόνου ως εναλλακτική λύση χαμηλότερου-κόστους
Δεν απαιτείται κάθε εφαρμογή όζον.Οι Ghadimkhani et al. έδειξε την επιτυχή αποφράξεις των πόρων της κεραμικής μεμβράνης χρησιμοποιώντας νανοφυσαλίδες αέρα τόσο σε πιλοτικές- όσο και σε έρευνες πάγκου-, αποκαθιστώντας τη ροή του διηθήματος στις αρχικές του τιμές.Σε ένα πείραμα,Το χουμικό οξύ έφραξε πλήρως μια κεραμική μεμβράνη εντός 6 ωρών, μειώνοντας τη ροή σχεδόν στο μηδέν, αλλά όταν η ρυπασμένη μεμβράνη τροφοδοτήθηκε με νερό με νανοφυσαλίδες, η αρχική ροή αποκαταστάθηκε εντός 2 ωρών -, μια επίδραση που αποδόθηκε στη διάσπαση της οργανικής ύλης από ελεύθερες ρίζες που δημιουργήθηκαν από τις νανοφυσαλίδες του αέρα.Αυτό υποδηλώνει ότι ακόμη και χωρίς ένα ισχυρό οξειδωτικό όπως το όζον, η φυσική κατάρρευση των νανοφυσαλίδων μπορεί να δημιουργήσει αρκετά εντοπισμένα αντιδραστικά είδη για να βοηθήσει στην αποικοδόμηση των προσροφημένων οργανικών ουσιών.
Οι νανοφυσαλίδες αέρα είναι ελκυστικές επειδή αποφεύγουν το κόστος κεφαλαίου και ασφάλειας της-παραγωγής όζοντος στην τοποθεσία, καθιστώντας τις πιο προσιτή επιλογή για μικρότερες εγκαταστάσεις επεξεργασίας ή βιομηχανίες όπως η επεξεργασία γαλακτοκομικών προϊόντων, όπου οι νανοφυσαλίδες έχει επίσης αποδειχθεί ότι βελτιώνουν τη ροή και μειώνουν τον χρόνο φιλτραρίσματος.
4. Προεπεξεργασία για διεργασίες κατάντη μεμβράνης
Οι κεραμικές μεμβράνες χρησιμοποιούνται επίσης ως βήμα προεπεξεργασίας μπροστά από πιο σφιχτές μεμβράνες όπως η νανοδιήθηση (NF) και οι προσεγγίσεις με τη βοήθεια νανοφυσαλίδων/όζοντος-μπορούν να βελτιώσουν το πόσο καλά λειτουργεί αυτή η προεπεξεργασία. Σε μια μελέτη για τα λύματα παραγωγής πόσιμου-νερού-εγκαταστάσεων,μια διαδικασία υβριδικής κεραμικής μεμβράνης-νανοδιήθησης πέτυχε μέσους ρυθμούς απομάκρυνσης 95,60% για διαλυμένο οργανικό άνθρακα, 98,55% για UV254 (αντιπρόσωπος για αρωματική οργανική περιεκτικότητα), 34,50% για αγωγιμότητα και 50,71% για ασβέστιο {{14,7%, βελτιώσεις {{14,7%, 3,7% και 10,36% αντίστοιχα έναντι της αυτόνομης νανοδιήθησης. Η προεπεξεργασία κεραμικής μεμβράνης μείωσε επίσης τη μη αναστρέψιμη ρύπανση της κατάντη μεμβράνης NF σε μια σειρά συγκεντρώσεων ρύπων και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης επιβεβαίωσε ότι αυτή η προεπεξεργασία μείωσε τη ρύπανση στην επιφάνεια της μεμβράνης NF.
Ξεχωριστά, η έκπλυση επιφάνειας με βάση το όζον- έχει διερευνηθεί ως ένας τρόπος μείωσης της ανάγκης για συμβατική προεπεξεργασία μικροδιήθησης/υπερδιήθησης πριν από τις κεραμικές μεμβράνες νανοδιήθησης. Η συμβατική προεπεξεργασία με χρήση πολυ-διήθησης μέσων, μικροδιήθηση ή υπερδιήθηση πριν από τη νανοδιήθηση προσθέτει σημαντικό κεφαλαιουχικό κόστος, φυσικό αποτύπωμα και πολυπλοκότητα του συστήματος, επομένως η αντικατάσταση της προεπεξεργασίας με βάση το φιλτράρισμα με μια διαδικασία με βάση το όζον-είναι ένας ελκυστικός τρόπος μείωσης του κόστους και της ανακύκλωσης του νερού, ειδικά στις αστικές ρυθμίσεις.
5. Άμεση Αποικοδόμηση Οργανικών Ρύπων
Πέρα από τον καθαρισμό μεμβράνης, τα συστήματα μικρο{0}}νανοφυσαλίδων μελετώνται όλο και περισσότερο ως μια προηγμένη τεχνολογία οξείδωσης-από μόνα τους.Σε μια μελέτη επεξεργασίας λυμάτων, ο συνδυασμός μιας γεννήτριας υδροδυναμικής σπηλαίωσης με μια πρόσθετη διαδικασία οξείδωσης αύξησε τη συνολική απόδοση απομάκρυνσης οργανικού άνθρακα στο 40,01% σε 90 λεπτά, σε σύγκριση με μόνο 14,61% που χρησιμοποιεί μόνο τη γεννήτρια σπηλαίωσης.
Πώς λειτουργεί ένα τυπικό σύστημα
Ένα συνδυασμένο σύστημα νανοφυσαλίδων-κεραμικής μεμβράνης περιλαμβάνει γενικά:
- Παροχή φυσικού αερίου- ατμοσφαιρικός αέρας, οξυγόνο ή όζον που δημιουργείται στον-ιστοτόπο.
- Γεννήτρια νανοφυσαλίδων- μια μονάδα διάλυσης βεντούρι, διατμητικής-αντλίας ή υπό πίεση-που εγχέει το αέριο στο νερό ως νανοφυσαλίδες.
- Στάδιο επαφής/αντίδρασηςΤο νερό εμπλουτισμένο με - νανοφυσαλίδες- είτε τροφοδοτείται συνεχώς στο ρεύμα τροφοδοσίας της μεμβράνης είτε χρησιμοποιείται σε περιοδικούς κύκλους αντίστροφης πλύσης/CIP.
- Μονάδα κεραμικής μεμβράνης- τυπικά αλουμίνα, ζιρκονία ή τιτάνια-σωληνωτά ή επίπεδα-στοιχεία φύλλων, που λειτουργούν σε λειτουργία διασταύρωσης ή αδιεξόδου-.
- ΠαρακολούθησηΗ ροή και η διαμεμβρανική πίεση παρακολουθούνται - για να προσδιοριστεί πότε απαιτείται κύκλος καθαρισμού με τη βοήθεια νανοφυσαλίδων-.
Πλεονεκτήματα της Συνδυασμένης Προσέγγισης
- Υψηλότερη ανάκτηση ροήςμετά τον καθαρισμό, συχνά χωρίς σκληρά χημικά καθαριστικά.
- Μειωμένη κατανάλωση χημικών- ιδιαίτερα χρήσιμο όταν οι νανοφυσαλίδες όζοντος αντικαθιστούν ή μειώνουν τη χρήση όξινων/καυστικών χημικών καθαριστικών.
- Καλύτερη μεταφορά μάζας οξειδωτικών, επομένως απαιτείται λιγότερο όζον ή αέρας για να επιτευχθεί το ίδιο καθαριστικό αποτέλεσμα.
- Εκτεταμένη διάρκεια ζωής της μεμβράνηςλόγω πιο ήπιου, πιο ομοιόμορφου καθαρισμού σε σύγκριση με τον επιθετικό χημικό ή μηχανικό καθαρισμό.
- Δυνατότητα συρρίκνωσης του αποτυπώματος προεπεξεργασίαςόταν χρησιμοποιείται μπροστά από πιο σφιχτές μεμβράνες όπως NF ή RO.
Περιορισμοί και ανοιχτές ερωτήσεις
Παρά τα πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα, οι ερευνητές σημειώνουν ορισμένα κενά:
Η επίδραση του μεγέθους και της συγκέντρωσης των φυσαλίδων στον έλεγχο της ρύπανσης δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή και οι βέλτιστες παράμετροι λειτουργίας μπορεί να είναι ειδικά για το σύστημα- και το ρύπο-.
Τα συστήματα νανοφυσαλίδων όζοντος απαιτούν προσεκτικούς ελέγχους συμβατότητας υλικών, απενεργοποίηση-διαχείρισης αερίου και ελέγχους ασφαλείας δεδομένης της τοξικότητας του όζοντος.
Τα περισσότερα δημοσιευμένα αποτελέσματα προέρχονται από μελέτες πάγκου- ή πιλοτικής-κλίμακας. Τα μεγάλης-κλίμακας,-μακροπρόθεσμα επιχειρησιακά δεδομένα εξακολουθούν να είναι περιορισμένα.
Η απόδοση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φύση του οργανικού ρυπαντικού (π.χ. χουμικά οξέα έναντι πρωτεϊνών έναντι συνθετικών χρωστικών), επομένως τα αποτελέσματα δεν γενικεύονται πάντα σε όλες τις εφαρμογές.
Σύναψη
Ο συνδυασμός γεννητριών νανοφυσαλίδων με κεραμικές μεμβράνες αντιπροσωπεύει μια από τις πιο πρακτικές εξελίξεις στον έλεγχο ρύπανσης για την επεξεργασία νερού και λυμάτων. Είτε χρησιμοποιείται για την πρόληψη ρύπανσης κατά τη διάρκεια του φιλτραρίσματος, είτε για τον καθαρισμό CIP με ενίσχυση του όζοντος- είτε ως προεπεξεργασία πριν από τη νανοδιήθηση, η τεχνολογία αξιοποιεί τη μοναδική φυσική των νανοφυσαλίδων - μεγάλη σταθερότητα, υψηλή αντιδραστικότητα επιφάνειας και αποτελεσματική μεταφορά αερίου - για μείωση της χρήσης χημικών, την παράταση της λειτουργίας της μεμβράνης επαναφοράς. Καθώς οι υποκείμενοι μηχανισμοί χαρακτηρίζονται καλύτερα, αυτός ο συνδυασμός είναι πιθανό να λάβει ευρύτερη υιοθέτηση σε εφαρμογές επεξεργασίας πόσιμου νερού, επεξεργασίας βιομηχανικών λυμάτων και επαναχρησιμοποίησης νερού.