Wstęp
Membrany ceramiczne stały się preferowaną technologią do oczyszczania wody i ścieków ze względu na ich wytrzymałość mechaniczną, odporność chemiczną, stabilność termiczną i długą żywotność w porównaniu z membranami polimerowymi. Jednak jak w przypadku każdego procesu membranowego, membrany ceramiczne borykają się z utrzymującym się problemem: zanieczyszczeniem, szczególnie przez rozpuszczoną i wielkocząsteczkową materię organiczną, taką jak kwasy humusowe, białka i naturalna materia organiczna (NOM). Zanieczyszczanie zmniejsza strumień permeatu, podnosi koszty energii i skraca żywotność membrany.
Jednym z bardziej obiecujących rozwiązań, które pojawiło się w ostatnich latach, jest połączenie membran ceramicznych z generatorami nanopęcherzyków (i mikro-nanopęcherzyków, MNB). Ta kombinacja jest stosowana zarówno w celu zapobiegania zanieczyszczeniom podczas filtracji, jak i do czyszczenia membran, które są już zanieczyszczone -, a w niektórych konfiguracjach do aktywnego rozkładu zanieczyszczeń organicznych w samej wodzie zasilającej.
Czym są nanopęcherzyki?
Nanopęcherzyki to pęcherzyki gazu o średnicy około 100–200 nanometrów do kilku mikrometrów -, znacznie mniejsze niż pęcherzyki wytwarzane w wyniku konwencjonalnego napowietrzania. Ze względu na swój rozmiar zachowują się zupełnie inaczej niż zwykłe bańki:
- Nie rosną szybko i nie pękają.Nanopęcherzyki mają prawie{{0}neutralną pływalność i mogą pozostać zawieszone w wodzie przez dni lub tygodnie, a nie sekundy.
- Niosą ujemny ładunek powierzchniowy, co pomaga im adsorbować i oddziaływać z organicznymi zanieczyszczeniami i cząsteczkami zawieszonymi w wodzie.
- Kiedy się zapadają, wytwarzają lokalne siły ścinające, a w niektórych przypadkach reaktywne formy tlenu (ROS)takie jak rodniki hydroksylowe (•OH), które mogą pomóc w rozkładaniu cząsteczek organicznych.
- Radykalnie zwiększają efektywność przenoszenia masy z gazu-do-cieczy, co ma ogromne znaczenie, gdy zaangażowany gaz jest silnym utleniaczem, takim jak ozon.
Generatory nanopęcherzyków zazwyczaj wytwarzają te pęcherzyki przy użyciu jednego z kilku mechanizmów: urządzeń rotacyjnych/zwężek Venturiego o wysokim-ścinaniu, uwalniania rozpuszczonego-gazu pod ciśnieniem (podobnie jak flotacja rozpuszczonym powietrzem) lub kawitacji ultradźwiękowej. Stosowanym gazem może być zwykłe powietrze/tlen lub - w przypadku bardziej agresywnego oczyszczania - ozon.
Po co łączyć nanopęcherzyki z membranami ceramicznymi?
1. Zapobieganie zanieczyszczeniom podczas filtracji
Mikro i nanopęcherzyki wykazały niezwykłą skuteczność w zapobieganiu osadzaniu się zanieczyszczeń i wspomaganiu czyszczenia membran w różnych technikach filtracji, a w filtracji z przepływem krzyżowym zastosowanie tych pęcherzyków przywróciło przepływ membrany ceramicznej do 80% po płukaniu wstecznym.Pęcherzyki są zazwyczaj wprowadzane do strumienia zasilającego lub wykorzystywane podczas cykli płukania wstecznego, gdzie pomagają przeczyścić powierzchnię membrany i rozbić warstwę placka zanieczyszczeń organicznych, zanim ulegnie ona zestaleniu.
2. Ulepszone czyszczenie chemiczne-na-miejscu (CIP) za pomocą ozonu
Być może najbardziej zbadanym zastosowaniem jest połączenie ozonu z wytwarzaniem nanopęcherzyków do czyszczenia CIP membran ceramicznych zanieczyszczonych rozpuszczonymi i wielkocząsteczkowymi substancjami organicznymi.Technologia mikro-nano-pęcherzyków ozonowych może skutecznie rozluźnić strukturę warstwy zanieczyszczeń na powierzchni membrany, zmniejszając ich przyleganie, a rodniki hydroksylowe wytwarzane w wyniku katalizy przez tlenek glinu w membranie ceramicznej mogą głęboko oczyścić zanieczyszczoną membranę.Nanopęcherzyki zapewniają siłę ścinającą potrzebną do fizycznego usunięcia warstwy zanieczyszczającej, jednocześnie osiągając znacznie wyższą skuteczność przenoszenia masy ozonu niż konwencjonalna dyfuzja pęcherzykowa -, co oznacza, że marnuje się mniej ozonu, a jego większa część faktycznie reaguje z zabrudzeniem.
Zbudowano powiązane badanienowatorski system generatora nanopęcherzyków ozonu-do czyszczenia zanieczyszczonej membrany ceramicznej zwykle stosowanej w przemyśle farbiarskim i odkrył, że właściwości powierzchni membrany uległy znacznej zmianie, przy zmniejszonej chropowatości powierzchni i gromadzeniu się zanieczyszczeń, co potwierdzono za pomocą mikroskopii sił atomowych, skaningowej mikroskopii elektronowej,-fluorescencji promieni rentgenowskich i spektroskopii{{2}dyspersyjnej energii.Spektroskopia w podczerwieni-z transformacją Fouriera (FTIR) pozostałości substancji zanieczyszczającej wykazała charakterystyczne sygnatury organiczne - grupy z wiązaniami wodorowymi- i nienasycone wiązania węgla-węglowe - zgodne z tym, że nanopęcherzyki ozonu rozkładają złożone cząsteczki organicznego substancji zanieczyszczającej, a nie po prostu usuwają je w stanie nienaruszonym.
3. Nanopęcherzyki powietrza/tlenu jako-tańsza alternatywa
Nie każde zastosowanie wymaga ozonu.Ghadimkhani i in. zademonstrowali skuteczne odblokowanie porów membrany ceramicznej przy użyciu nanopęcherzyków powietrza zarówno w badaniach w skali pilotażowej-, jak i- laboratoryjnej, przywracając pierwotne wartości strumienia permeatu.W jednym eksperymenciekwas humusowy całkowicie zatkał membranę ceramiczną w ciągu 6 godzin, zmniejszając strumień prawie do zera, ale gdy zanieczyszczoną membranę zasilano wodą z nanopęcherzyków, początkowy przepływ został przywrócony w ciągu 2 godzin -, efekt przypisywany rozkładowi materii organicznej przez wolne rodniki powstające w wyniku zapadania się nanopęcherzyków powietrza.Sugeruje to, że nawet bez silnego utleniacza, takiego jak ozon, fizyczne załamanie się nanopęcherzyków może wygenerować wystarczającą liczbę zlokalizowanych reaktywnych form, aby pomóc w degradacji zaadsorbowanych substancji organicznych.
Nanopęcherzyki powietrza są atrakcyjne, ponieważ pozwalają uniknąć kosztów kapitałowych i bezpieczeństwa związanych z wytwarzaniem ozonu-na miejscu, co czyni je bardziej dostępną opcją dla mniejszych oczyszczalni lub gałęzi przemysłu, takich jak przetwórstwo mleczne, gdzie wykazano również, że nanopęcherzyki poprawiają przepływ i skracają czas filtracji.
4. Obróbka wstępna w dalszych procesach membranowych
Membrany ceramiczne są również stosowane jako etap obróbki wstępnej przed membranami bardziej szczelnymi, takimi jak nanofiltracja (NF), a metody wspomagane nanopęcherzykami/ozonem-mogą poprawić skuteczność tej obróbki wstępnej. W jednym badaniu dotyczącym-wody pitnej-ścieków pochodzących z produkcji roślinnejw procesie hybrydowej membrany ceramicznej i nanofiltracji uzyskano średnie szybkości usuwania rozpuszczonego węgla organicznego wynoszące 95,60%, 98,55% dla UV254 (zastępcza zawartość aromatycznych substancji organicznych), 34,50% dla przewodności i 50,71% dla wapnia -, co poprawiło się odpowiednio o 4,70%, 1,40%, 16,37% i 10,36% w porównaniu z samodzielną nanofiltracją. Wstępna obróbka membrany ceramicznej zmniejszyła również nieodwracalne zanieczyszczenie dalszej membrany NF w całym zakresie stężeń substancji zanieczyszczających, a skaningowa mikroskopia elektronowa potwierdziła, że ta wstępna obróbka złagodziła osadzanie się na powierzchni membrany NF.
Odrębnie zbadano płukanie powierzchni na bazie ozonu- jako sposób na zmniejszenie konieczności stosowania konwencjonalnej obróbki wstępnej poprzez mikrofiltrację/ultrafiltrację przed ceramicznymi membranami nanofiltracyjnymi. Konwencjonalna obróbka wstępna wykorzystująca-filtrację wieloczynnikową, mikrofiltrację lub ultrafiltrację przed nanofiltracją zwiększa znaczne koszty inwestycyjne, zajmowaną powierzchnię i złożoność systemu, dlatego zastąpienie wstępnej obróbki-procesem opartym na ozonie-jest atrakcyjnym sposobem na zmniejszenie kosztów i śladu, szczególnie w przypadku recyklingu wody miejskiej.
5. Bezpośrednia degradacja zanieczyszczeń organicznych
Oprócz czyszczenia membran, systemy mikro-nanopęcherzyków są coraz częściej badane jako zaawansowana-technologia sama w sobie związana z utlenianiem.W jednym badaniu dotyczącym oczyszczania ścieków połączenie generatora kawitacji hydrodynamicznej z dodatkowym procesem utleniania podniosło całkowitą skuteczność usuwania węgla organicznego do 40,01% w ciągu 90 minut w porównaniu z zaledwie 14,61% w przypadku samego generatora kawitacji. Pokazuje to, że systemy nanopęcherzyków/kawitacji często sprawdzają się najlepiej jako część procesu hybrydowego, a nie jako samodzielne oczyszczanie.
Jak działa typowy system
Połączony system membran nanopęcherzykowo-ceramicznych zazwyczaj obejmuje:
- Zasilanie gazem- otaczające powietrze, tlen lub ozon wytwarzane na-zakładzie.
- Generator nanopęcherzyków- zwężka Venturiego,-pompa ścinająca lub-ciśnieniowa jednostka rozpuszczająca, która wtryskuje gaz do wody w postaci nanopęcherzyków.
- Etap kontaktu/reakcjiWoda wzbogacona w - nanopęcherzyki-jest albo podawana w sposób ciągły do strumienia zasilającego membranę, albo wykorzystywana w okresowych cyklach płukania wstecznego/CIP.
- Moduł z membraną ceramiczną- zazwyczaj elementy rurowe lub płaskie-na bazie tlenku glinu, tlenku cyrkonu lub tytanu,-pracujące w trybie przepływu krzyżowego lub-ślepego końca.
- MonitorowanieŚledzone są strumień - i ciśnienie transbłonowe, aby określić, kiedy potrzebny jest cykl czyszczenia wspomagany-nanopęcherzykami.
Zalety podejścia kombinowanego
- Większy odzysk strumieniapo czyszczeniu, często bez użycia ostrych, chemicznych środków czyszczących.
- Zmniejszone zużycie środków chemicznych- szczególnie przydatne, gdy nanopęcherzyki ozonu zastępują lub ograniczają użycie kwaśnych/żrących środków czyszczących.
- Lepszy transfer masy utleniaczy, więc do osiągnięcia tego samego efektu czyszczenia potrzeba mniej ozonu lub powietrza.
- Wydłużona żywotność membranydzięki delikatniejszemu i bardziej równomiernemu czyszczeniu w porównaniu z agresywnym czyszczeniem chemicznym lub mechanicznym.
- Potencjał zmniejszenia śladu obróbki wstępnejw przypadku stosowania przed ciaśniejszymi membranami, takimi jak NF lub RO.
Ograniczenia i pytania otwarte
Pomimo obiecujących wyników badacze zauważają pewne luki:
Wpływ wielkości i stężenia pęcherzyków na kontrolę zanieczyszczeń nie jest jeszcze w pełni poznany, a optymalne parametry operacyjne mogą zależeć od systemu- i-zanieczyszczania.
Ze względu na toksyczność ozonu systemy nanopęcherzyków ozonu wymagają dokładnych kontroli zgodności materiałów, zarządzania-gazami odlotowymi i kontroli bezpieczeństwa.
Większość publikowanych wyników pochodzi z badań laboratoryjnych- lub-pilotażowych; Dane operacyjne na dużą-skalę i-terminy są nadal ograniczone.
Wydajność zależy w dużym stopniu od charakteru organicznego zanieczyszczenia (np. kwasy humusowe, białka lub barwniki syntetyczne), więc wyniki nie zawsze można uogólnić w zależności od zastosowania.
Wniosek
Połączenie generatorów nanopęcherzyków z membranami ceramicznymi stanowi jeden z bardziej praktycznych postępów w kontroli zanieczyszczeń w oczyszczaniu wody i ścieków. Niezależnie od tego, czy stosowana jest do zapobiegania osadzaniu się zanieczyszczeń podczas filtracji,-czyszczenia CIP wzmocnionego ozonem, czy też jako obróbka wstępna przed nanofiltracją, technologia ta wykorzystuje unikalną fizykę nanopęcherzyków - długą stabilność, wysoką reaktywność powierzchni i wydajne przenoszenie gazu - w celu zmniejszenia zużycia środków chemicznych, przywrócenia strumienia i wydłużenia żywotności membrany. W miarę lepszego scharakteryzowania podstawowych mechanizmów połączenie to prawdopodobnie zyska szersze zastosowanie w uzdatnianiu wody pitnej, oczyszczaniu ścieków przemysłowych i zastosowaniach ponownego wykorzystania wody.