Úvod
Keramické membrány sa stali preferovanou technológiou čistenia vody a odpadových vôd vďaka svojej mechanickej pevnosti, chemickej odolnosti, tepelnej stabilite a dlhej životnosti v porovnaní s polymérnymi membránami. Ale ako každý membránový proces, aj keramické membrány trpia pretrvávajúcim problémom: znečistením, najmä rozpustenou a makromolekulárnou organickou hmotou, ako sú humínové kyseliny, proteíny a prírodná organická hmota (NOM). Znečistenie znižuje tok permeátu, zvyšuje náklady na energiu a skracuje životnosť membrány.
Jedným zo sľubnejších riešení, ktoré sa objavili v posledných rokoch, je párovanie keramických membrán s generátormi nanobublín (a mikro-nanobublín, MNB). Táto kombinácia sa používa na zabránenie znečistenia počas filtrácie a na čistenie membrán, ktoré sú už znečistené - a v niektorých konfiguráciách na aktívne odbúravanie organických znečisťujúcich látok v samotnej napájacej vode.
Čo sú nanobubliny?
Nanobubliny sú plynové bubliny s priemerom približne 100 – 200 nanometrov až niekoľkých mikrometrov - oveľa menším ako bubliny vytvorené konvenčným prevzdušňovaním. Kvôli svojej veľkosti sa správajú veľmi odlišne od bežných bublín:
- Nedvíhajú sa rýchlo a nepraskajú.Nanobubliny majú takmer{0}}neutrálny vztlak a môžu zostať vo vode niekoľko dní alebo týždňov, a nie sekúnd.
- Nesú negatívny povrchový náboj, čo im pomáha adsorbovať sa na organické nečistoty a častice suspendované vo vode a interagovať s nimi.
- Keď sa zrútia, vytvárajú lokalizované šmykové sily a v niektorých prípadoch aj reaktívne formy kyslíka (ROS)ako sú hydroxylové radikály (•OH), ktoré môžu pomôcť rozložiť organické molekuly.
- Výrazne zvyšujú účinnosť prenosu hmoty-do{1}}kvapalnej hmoty, na čom veľmi záleží, keď je použitý plyn silný oxidant ako ozón.
Generátory nanobublín zvyčajne vyrábajú tieto bubliny pomocou jedného z niekoľkých mechanizmov: rotačných/venturiho zariadení s vysokým strihom, uvoľnenia rozpusteného-plynu pod tlakom (podobne ako pri flotácii rozpusteného vzduchu) alebo ultrazvukovej kavitácie. Použitý plyn môže byť obyčajný vzduch/kyslík alebo - pre agresívnejšiu úpravu - ozón.
Prečo kombinovať nanobubliny s keramickými membránami?
1. Prevencia zanášania počas filtrácie
Mikro a nanobubliny preukázali pozoruhodnú účinnosť pri predchádzaní zanášaniu a napomáhaní pri čistení membrán v rôznych filtračných technikách a pri filtrácii s priečnym tokom použitie týchto bublín obnovilo tok keramickej membrány na 80 % po spätnom premytí.Bubliny sa typicky zavádzajú do privádzaného prúdu alebo sa používajú počas cyklov spätného preplachovania, kde pomáhajú čistiť povrch membrány a narúšať vrstvu koláča organických nečistôt predtým, ako sa spevní.
2. Vylepšené chemické-čistenie-na mieste (CIP) s ozónom
Snáď najviac skúmanou aplikáciou je kombinovanie ozónu s tvorbou nanobublín na CIP čistenie keramických membrán znečistených rozpustenými a makromolekulárnymi organickými látkami.Technológia ozónových mikro-nano{1}}bublín dokáže účinne uvoľniť štruktúru vrstvy nečistôt na povrchu membrány, čím sa zníži priľnavosť nečistôt a hydroxylové radikály produkované prostredníctvom katalýzy oxidom hlinitým v keramickej membráne môžu dosiahnuť hĺbkové čistenie kontaminovanej membrány.Nanobubliny poskytujú šmykovú silu potrebnú na fyzické uvoľnenie vrstvy znečisťujúcej látky, pričom súčasne dosahujú oveľa vyššiu účinnosť prenosu hmoty ozónu ako konvenčná difúzia bublín -, čo znamená, že sa plytvá menej ozónového plynu a jeho väčšie množstvo skutočne reaguje so znečisťujúcou látkou.
Vybudovaná súvisiaca štúdianový systém generátora nanobublín ozónu- na čistenie znečistenej keramickej membrány, ktorá sa zvyčajne používa v priemysle farbív, a zistilo sa, že povrchové charakteristiky membrány sa výrazne zmenili so zníženou drsnosťou povrchu a akumuláciou nečistôt, čo potvrdila mikroskopia atómovej sily, skenovacia elektrónová mikroskopia, röntgenová fluorescencia a energetická-disperzná spektroskopia.Fourierova-transformačná infračervená (FTIR) spektroskopia zvyškovej znečisťujúcej látky ukázala charakteristické organické znaky - vodíkových{2}}väzbových skupín a nenasýtených uhlíkových-uhlíkových väzieb -, ktoré sú v súlade s ozónovými nanobublinkami, ktoré rozkladajú komplexné organické molekuly znečisťujúcich látok namiesto toho, aby ich jednoducho uvoľnili neporušené.
3. Vzduchové/kyslíkové nanobubliny ako alternatíva s nižšími{1}}nákladmi
Nie každá aplikácia vyžaduje ozón.Ghadimkhani a kol. demonštrovali úspešné uvoľnenie pórov keramickej membrány pomocou vzduchových nanobublín v pilotnom- aj skúšobnom-skúmaní, čím sa tok permeátu vrátil na pôvodné hodnoty.V jednom experimente,humínová kyselina úplne upchala keramickú membránu do 6 hodín, čím sa znížil tok takmer na nulu, ale keď sa znečistená membrána naplnila vodou z nanobublín, počiatočný tok sa obnovil do 2 hodín -, čo je účinok pripisovaný rozkladu organickej hmoty voľnými radikálmi generovanými pri kolapse vzduchových nanobublín.To naznačuje, že aj bez silného oxidantu, akým je ozón, môže fyzický kolaps nanobublín vytvoriť dostatok lokalizovaných reaktívnych druhov, ktoré pomôžu degradovať adsorbované organické látky.
Vzduchové nanobubliny sú atraktívne, pretože sa vyhýbajú kapitálovým a bezpečnostným nákladom na{0}}generáciu ozónu na mieste, čím sa stávajú dostupnejšou možnosťou pre menšie čistiarne alebo priemyselné odvetvia, ako je spracovanie mlieka, kde sa tiež ukázalo, že nanobubliny zlepšujú tok a skracujú čas filtrácie.
4. Predúprava pre následné membránové procesy
Keramické membrány sa tiež používajú ako krok predúpravy pred užšími membránami, ako je nanofiltrácia (NF), a prístupy s pomocou nanobublín/ozónu- môžu zlepšiť fungovanie tejto predúpravy. V jednej štúdii pitnej-vody-odpadovej vody z rastlinnej výrobyproces hybridnej keramickej membrány a nanofiltrácie dosiahol priemerné rýchlosti odstraňovania 95,60 % pre rozpustený organický uhlík, 98,55 % pre UV254 (zástupca aromatického organického obsahu), 34,50 % pre vodivosť a 50,71 % pre vápnik - zlepšenie o 4,70 %, 1,40 %, 16,40 %, 16,5 % nanofiltrácia nad 16,37 %. Predbežná úprava keramickej membrány tiež znížila ireverzibilné znečistenie membrány NF po prúde v celom rozsahu koncentrácií znečisťujúcich látok a skenovacia elektrónová mikroskopia potvrdila, že táto predbežná úprava zmiernila zanášanie na povrchu membrány NF.
Samostatne sa skúmalo preplachovanie povrchu-ozónom ako spôsob, ako znížiť potrebu konvenčnej mikrofiltrácie/ultrafiltrácie pred úpravou pred keramickými nanofiltračnými membránami. Konvenčná predúprava pomocou multi-filtrácie médií, mikrofiltrácie alebo ultrafiltrácie pred nanofiltráciou zvyšuje kapitálové náklady, fyzickú stopu a zložitosť systému, takže nahradenie -predúpravy založenej na filtrácii procesom založeným na ozóne- je príťažlivým spôsobom, ako znížiť náklady a stopu, najmä v prostredí recyklácie vody v mestách.
5. Priama degradácia organických znečisťujúcich látok
Okrem čistenia membrán sa mikro-systémy nanobublín čoraz viac študujú ako pokročilá oxidačná-technológia ako taká.V jednej štúdii čistenia odpadových vôd kombinácia hydrodynamického kavitačného generátora s dodatočným oxidačným procesom zvýšila celkovú účinnosť odstraňovania organického uhlíka na 40,01 % za 90 minút v porovnaní s iba 14,61 % pri použití samotného kavitačného generátora. To ilustruje, že nanobublinové/kavitačné systémy často fungujú najlepšie ako súčasť hybridného procesu a nie ako samostatné čistenie.
Ako funguje typický systém
Kombinovaný systém nanobublín a keramických membrán vo všeobecnosti zahŕňa:
- Dodávka plynu- okolitého vzduchu, kyslíka alebo ozónu generovaného na-stránke.
- Generátor nanobublín- Venturiho trubica, šmykové{1}}čerpadlo alebo tlaková{2}}rozpúšťacia jednotka, ktorá vstrekuje plyn do vody vo forme nanobublín.
- Fáza kontaktu/reakcieVoda obohatená o -nanobubliny- sa buď nepretržite privádza do prúdu membrány, alebo sa používa v pravidelných cykloch spätného preplachovania/CIP.
- Modul s keramickou membránou- typicky hliníkové, zirkónové alebo titánové-rúrkové alebo ploché-plechové prvky na báze oxidu hlinitého, zirkónu alebo titánu, prevádzkované v režime priečneho toku alebo slepej uličky-.
- Monitorovanie- tok a transmembránový tlak sa sledujú, aby sa určilo, kedy je potrebný cyklus čistenia s pomocou nanobublín-.
Výhody kombinovaného prístupu
- Vyššia regenerácia tokupo vyčistení, často bez drsných chemických čistiacich prostriedkov.
- Znížená spotreba chemikálií- obzvlášť cenné tam, kde nanobubliny ozónu nahrádzajú alebo znižujú používanie kyslých/žieravých čistiacich chemikálií.
- Lepší prenos hmoty oxidantov, takže na dosiahnutie rovnakého čistiaceho účinku je potrebné menej ozónu alebo vzduchu.
- Predĺžená životnosť membrányvďaka jemnejšiemu, rovnomernejšiemu čisteniu v porovnaní s agresívnym chemickým alebo mechanickým čistením.
- Potenciál zmenšiť stopu predúpravypri použití pred tesnejšími membránami ako NF alebo RO.
Obmedzenia a otvorené otázky
Napriek sľubným výsledkom výskumníci zaznamenali niektoré medzery:
Vplyv veľkosti a koncentrácie bublín na kontrolu znečistenia ešte nie je úplne pochopený a optimálne prevádzkové parametre môžu byť špecifické pre systém- a nečistoty-.
Systémy ozónových nanobublín vyžadujú starostlivé kontroly materiálovej kompatibility,{0}}manažmentu vypnutého plynu a kontroly bezpečnosti vzhľadom na toxicitu ozónu.
Väčšina publikovaných výsledkov pochádza z bench- alebo pilotných-štúdií; rozsiahle-dlhodobé{3}}prevádzkové údaje sú stále obmedzené.
Výkon do značnej miery závisí od povahy organického znečistenia (napr. humínové kyseliny vs. proteíny vs. syntetické farbivá), takže výsledky nie vždy zovšeobecňujú naprieč aplikáciami.
Záver
Párovanie generátorov nanobublín s keramickými membránami predstavuje jeden z praktickejších pokrokov v kontrole zanášania vody a čistenia odpadových vôd. Či už sa používa na prevenciu zanášania počas filtrácie, čistenie CIP pomocou ozónu{1}}, alebo ako predúprava pred nanofiltráciou, technológia využíva jedinečnú fyziku nanobublín - s dlhou stabilitou, vysokou povrchovou reaktivitou a účinným prenosom plynov - na zníženie spotreby chemikálií, obnovenie toku a predĺženie životnosti membrány. Keď sa základné mechanizmy lepšie charakterizujú, táto kombinácia pravdepodobne zaznamená širšie uplatnenie v oblasti úpravy pitnej vody, čistenia priemyselných odpadových vôd a aplikácií na opätovné použitie vody.