Увод
Керамичке мембране су постале пожељна технологија за третман воде и отпадних вода захваљујући својој механичкој чврстоћи, хемијској отпорности, термичкој стабилности и дугом веку трајања у поређењу са полимерним мембранама. Али као и сваки мембрански процес, керамичке мембране пате од трајног проблема: запрљања, посебно раствореним и макромолекуларним органским материјама као што су хуминске киселине, протеини и природна органска материја (НОМ). Запрљавање смањује проток пермеата, повећава трошкове енергије и скраћује живот мембране.
Једно од обећавајућих решења која се појављују последњих година је упаривање керамичких мембрана са генераторима наномехурића (и микро-наномехурића, МНБ). Ова комбинација се користи и за спречавање загађивања током филтрације и за чишћење мембрана које су већ запрљане - и у неким конфигурацијама за активно разградњу органских загађивача у самој напојној води.
Шта су наномехурићи?
Наномехурићи су мехурићи гаса пречника отприлике 100–200 нанометара до неколико микрометара - далеко мањи од мехурића произведених конвенционалном аерацијом. Због своје величине, понашају се веома другачије од обичних мехурића:
- Не дижу се брзо и не пуцају.Наномехурићи имају скоро{0}}неутралну узгону и могу да остану суспендовани у води данима или недељама уместо неколико секунди.
- Носе негативно површинско наелектрисање, што им помаже да се адсорбују на органске загађиваче и честице суспендоване у води и ступају у интеракцију са њима.
- Када се сруше, стварају локализоване силе смицања и, у неким случајевима, реактивне врсте кисеоника (РОС)као што су хидроксилни радикали (•ОХ), који могу помоћи у разградњи органских молекула.
- Они драматично повећавају ефикасност преноса масе-у-течност, што је веома важно када је укључени гас јак оксидант попут озона.
Генератори наномехурића обично производе ове мехуриће користећи један од неколико механизама: високо-ротациони уређаји/вентури уређаји са високим смицањем, ослобађање раствореног{1}}гаса под притиском (слично флотацији раствореног ваздуха) или ултразвучна кавитација. Гас који се користи може бити обичан ваздух/кисеоник или - за агресивнији третман - озон.
Зашто комбиновати наномехуриће са керамичким мембранама?
1. Спречавање прљања током филтрирања
Микро и наномехурићи су показали изузетну ефикасност у спречавању прљања и помагању при чишћењу мембране у различитим техникама филтрације, а у попречној филтрацији, употреба ових мехурића је вратила ток керамичке мембране на 80% након повратног испирања.Мехурићи се обично уводе у струју за пуњење или се користе током циклуса повратног испирања, где помажу у рибању површине мембране и нарушавању слоја колача од органских загађивача пре него што се консолидује.
2. Побољшано хемијско-на{2}} место (ЦИП) чишћење озоном
Можда најистраженија примена је комбиновање озона са стварањем наномехурића за ЦИП чишћење керамичких мембрана запрљаних раствореним и макромолекуларним органским материјама.Технологија микро-нано-озонских мехурића може ефикасно да олабави структуру загађивача на површини мембране, смањујући пријањање загађивача, а хидроксилни радикали произведени катализом од алуминијума у керамичкој мембрани могу постићи дубинско чишћење контаминиране мембране.Наномехурићи обезбеђују силу смицања потребну за физичко уклањање слоја загађивача, док истовремено постижу много већу ефикасност преноса масе озона у односу на конвенционалну дифузију мехурића -, што значи да се мање озонског гаса троши и више га заправо реагује са загађивачем.
Изграђена је сродна студијанови систем генератора-наномехурића озона за чишћење запрљане керамичке мембране која се обично користи у индустрији боја и открио је да су се површинске карактеристике мембране значајно промениле, уз смањену храпавост површине и акумулацију нечистоћа, што је потврђено микроскопијом атомске силе, скенирајућом електронском микроскопијом, рендгенским-енергијом{1}}и рентгенском зрачењем{1}} и флуороспективном зрачењем.Фоуриер-инфрацрвена (ФТИР) спектроскопија заосталог загађивача показала је карактеристичне органске потписе - водоничним-групама везаним за водоник и незасићеним угљеничним-угљеничним везама - које су у складу са озонским наномехурићима који пре разлажу комплексне органске нечистоће него што их једноставно разграђују у молекуларном органском загађивачу.
3. Наномехурићи ваздуха/кисеоника као -алтернатива са нижом ценом
Не захтева свака апликација озон.Гхадимкхани и др. демонстрирао успешно отчепљивање пора на керамичкој мембрани коришћењем наномехурића ваздуха у пилот- и бенд- испитивањима, враћајући флукс пермеата на његове првобитне вредности.У једном експерименту,хуминска киселина је потпуно зачепила керамичку мембрану у року од 6 сати, смањујући флукс скоро на нулу, али када је загађена мембрана напајана водом са наномехурићем, почетни флукс је обновљен у року од 2 сата -, што је ефекат који се приписује разградњи органске материје слободним радикалима насталим када се наномехурићи из ваздуха урушавају.Ово сугерише да чак и без јаког оксиданса као што је озон, физички колапс наномехурића може да генерише довољно локализованих реактивних врста да помогне у разградњи адсорбованих органских материја.
Наномехурићи ваздуха су атрактивни јер избегавају капиталне и безбедносне трошкове-генерисања озона на лицу места, што их чини приступачнијом опцијом за мање постројења за пречишћавање или индустрије као што је прерада млека, где се показало да наномехурићи побољшавају проток и смањују време филтрације.
4. Предтретман за низводне мембранске процесе
Керамичке мембране се такође користе као корак пре третмана испред чвршћих мембрана као што је нанофилтрација (НФ), а приступи уз помоћ наномехурића/озона{0}}могу да побољшају колико добро тај предтретман функционише. У једној студији о отпадним водама биљне производње-воде-,хибридна керамичка мембрана-нанофилтрација процес је постигао просечне стопе уклањања од 95,60% за растворени органски угљеник, 98,55% за УВ254 (прокси за ароматичне органске садржаје), 34,50% за проводљивост и 50,71% за калцијум {{5}.7%, побољшање од 1,1%, 7%, 10,36% у односу на самосталну нанофилтрацију. Предтретман керамичке мембране је такође смањио неповратно запрљање низводне НФ мембране у низу концентрација загађивача, а скенирајућа електронска микроскопија је потврдила да је овај предтретман ублажио запрљавање на површини НФ мембране.
Одвојено, површинско испирање на бази озона{0}} је истражено као начин да се смањи потреба за конвенционалном микрофилтрацијом/ултрафилтрацијом предобрадом испред керамичких нанофилтрационих мембрана. Конвенционални предтретман коришћењем мулти-филтрације медија, микрофилтрације или ултрафилтрације пре нанофилтрације додаје значајне капиталне трошкове, физички отисак и комплексност система, тако да је замена претходног третмана заснованог на филтрацији-поступком заснованом на озону{4}} привлачан начин за смањење трошкова и отиска, посебно у условима рециклаже урбане воде.
5. Директна деградација органских загађивача
Осим чишћења мембране, системи микро-наномехурића се све више проучавају као напредна технологија{1}}суседна оксидација сама по себи.У једној студији пречишћавања отпадних вода, комбиновање хидродинамичког генератора кавитације са додатним процесом оксидације подигло је укупну ефикасност уклањања органског угљеника на 40,01% током 90 минута, у поређењу са само 14,61% коришћењем самог генератора кавитације. Ово илуструје да системи наномехурића/кавитације често најбоље раде као део самосталног процеса него као хибридни процес.
Како функционише типичан систем
Комбиновани систем наномехурића и керамичке мембране генерално укључује:
- Снабдевање гасом- амбијентални ваздух, кисеоник или озон који се генерише на-локацији.
- Генератор наномехурића- вентуријева, смицајна-пумпа или јединица за растварање под притиском{2}} која убризгава гас у воду у облику наномехурића.
- Фаза контакта/реакцијеВода обогаћена - наномехурићем-у континуитету се уноси у ток мембране или се користи у периодичним циклусима повратног испирања/ЦИП.
- Керамички мембрански модул- обично на бази алуминијума, цирконијума или титана-цевасти или равни-елементи од лима, који раде у попречном или мртвом- режиму.
- Мониторинг- флукс и трансмембрански притисак се прате да би се утврдило када је потребан циклус чишћења уз помоћ наномехурића{1}}.
Предности комбинованог приступа
- Већи опоравак флуксанакон чишћења, често без јаких хемијских средстава за чишћење.
- Смањена потрошња хемикалија- је посебно драгоцено тамо где наномехурићи озона замењују или смањују употребу киселина/каустичних хемикалија за чишћење.
- Бољи пренос масе оксиданата, тако да је потребно мање озона или ваздуха да би се постигао исти ефекат чишћења.
- Продужени животни век мембранезбог нежнијег, уједначенијег чишћења у поређењу са агресивним хемијским или механичким чишћењем.
- Потенцијал за смањење отиска пре третманакада се користи испред чвршћих мембрана као што су НФ или РО.
Ограничења и отворена питања
Упркос обећавајућим резултатима, истраживачи примећују неке недостатке:
Утицај величине мехурића и концентрације на контролу загађивања још увек није у потпуности схваћен, а оптимални радни параметри могу бити специфични за систем- и штетне материје-.
Системи озонских наномехурића захтевају пажљиве провере компатибилности материјала, управљање -гасом и безбедносне контроле с обзиром на токсичност озона.
Већина објављених резултата долази из студија{0}} или пилот{1}}размера; велики-дугорочни-оперативни подаци су и даље ограничени.
Перформансе у великој мери зависе од природе органског загађивача (нпр. хуминске киселине наспрам протеина наспрам синтетичких боја), тако да се резултати не генерализују увек у различитим применама.
Закључак
Упаривање генератора наномехурића са керамичким мембранама представља један од практичнијих напретка у контроли загађивања за пречишћавање воде и отпадних вода. Без обзира да ли се користи за превенцију загађивања током филтрације, озоном-побољшаног ЦИП чишћења, или као предтретман пре нанофилтрације, технологија користи јединствену физику наномехурића - дугу стабилност, високу површинску реактивност и ефикасан пренос гаса - како би се смањила употреба хемикалија, обновио проток мембране и продужио век трајања мембране. Како основни механизми буду боље окарактерисани, ова комбинација ће вероватно имати шире усвајање у апликацијама за третман воде за пиће, третман индустријских отпадних вода и поновну употребу воде.