Je dobre známou skutočnosťou, že prírodná organická hmota (NOM) je jedným z hlavných prispievateľov k zanášaniu nízkotlakovej membrány-, ale môže niekto skutočne určiť, ktorá konkrétna časť NOM je zodpovedná? Na základe rôznych záverov výskumu, ktoré som videl, je pravdepodobné, že neexistuje žiadna „jedna{1}}veľkosť-zodpovedajúca-všetkým.
Existuje mnoho spôsobov, ako možno NOM charakterizovať a zvyčajne sa výskum zameral iba na jednu alebo dve z týchto charakteristík súčasne, aby sa zistilo, ktorá frakcia NOM je zodpovedná za znečistenie membrány.
NOM nie je NOM...
Charakteristiky NOM sa môžu výrazne líšiť od vodného zdroja k vodnému zdroju v závislosti od organickej hmoty v povodí, geologických podmienok, klímy atď. Najbežnejšie premenné používané na charakterizáciu organickej hmoty sú veľkosť, štruktúra a funkčnosť.
Tieto premenné sú ďalej definované takto:
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 µm), rozpustené (<0.45 µm) and colloidal (~1 nm to 1 µm) where the colloidal fraction crosses over the dissolved and particulate definitions. Molecular weight (MW) distribution is also used to characterize NOM size fractions.
Štruktúra: Frakcie NOM možno opísať aj pomocou hydrofóbnej (aromatickej) alebo hydrofilnej (alifatickej) štruktúry, ktorá indikuje, či NOM je vodoodpudivý (hydrofóbny) alebo vodu adsorbujúci (hydrofilný).
Funkčnosť/náboj: NOM môže byť tiež charakterizovaný obsahom funkčných skupín (humínové a fulvokyseliny), ktorý ovplyvňuje (zápornú) hustotu náboja NOM.
Aby sa ďalej skomplikovala charakterizácia, hydrofóbne až hydrofilné NOM môžu mať nízku až vysokú molekulovú hmotnosť, hoci spravidla majú hydrofóbne frakcie NOM všeobecne vyššiu MW.
Okrem charakteristík NOM budú pravdepodobne zohrávať úlohu aj samotné vlastnosti nízkotlakovej membrány, či NOM spôsobí znečistenie alebo nie. Premenné, ako je veľkosť pórov membrány, povrchový náboj a drsnosť povrchu, môžu ovplyvniť, či dôjde k znečisteniu NOM blokovaním pórov, adsorpciou alebo tvorbou gélovej vrstvy.
Čo teda spôsobuje znečistenie??
So všetkými týmito znalosťami o NOM a membránach musíme byť schopní presne určiť, ktoré vlastnosti vedú k znečisteniu membrány, však? Uskutočnilo sa mnoho štúdií, od laboratórnych po kompletné-štúdie, aby sa preskúmali vplyvy rôznych frakcií NOM na výkonnosť membrán. Tu je veľmi stručný súhrn zistení niektorých z nich:
Howe a Clark (2006) dospeli k záveru, že je to rozpustená a koloidná frakcia NOM v rozsahu veľkosti 100 kDa až 1 µm, ktorá je zodpovedná za väčšinu potenciálu znečistenia membrány. Táto frakcia NOM s vyššou molekulovou hmotnosťou sa odstráni koaguláciou a predpokladá sa, že je hydrofóbnejšia a kyslejšia.
Yamamura a kol. (2008) a Lee a kol. (2004) zistili, že hydrofilná frakcia NOM poskytuje väčší príspevok k znečisteniu membrány ako hydrofóbne humínové látky. Lee a spol. tiež dospel k záveru, že makromolekuly hydrofilného charakteru (napr. polysacharidy) a/alebo koloidná organická hmota v hydrofilnej NOM frakcii môžu zanášať nízkotlakové membrány. Je zaujímavé poznamenať, že pre techniku, ktorú použil Lee na izoláciu polárnych frakcií NOM, organické koloidy tiež končia v hydrofilnej frakcii. To môže byť dôvod, prečo sa robia určité zovšeobecnenia, že hydrofilný NOM je zodpovedný za znečistenie membrány, keď sa použije táto izolačná technika, zatiaľ čo koloidný materiál môže byť v skutočnosti zodpovedný za znečistenie.
Väčší pokles toku zaznamenali Lee a kol. počas mikrofiltrácie (MF) v porovnaní s ultrafiltráciou (UF), kde bolo zanášanie MF spôsobené blokovaním pórov väčšími makromolekulami a organickými koloidmi, zatiaľ čo v prípade UF (ktorý má menšie póry) bol pokles toku spôsobený tvorbou gélovej vrstvy, ktorá sa dá ľahšie zvrátiť ako upchatie pórov. Je zaujímavé, že sa zistilo, že hydrofóbne/hydrofilné vlastnosti membrán majú minimálny vplyv na znečistenie membrány.
Dôkaz je v pilote...
Prečo existuje toľko rôznych záverov o tom, aké frakcie NOM sú zodpovedné za znečistenie membrány? Je to preto, že zanášanie membrány je spôsobené kombináciou NOM a charakteristík membrány, ktoré neboli skúmané súčasne, alebo existuje iná charakteristika, ktorá ešte nebola identifikovaná?
Záver je, že všetky kritické premenné boli identifikované, ale nikto sa ešte (aspoň pokiaľ som zistil) na všetky tieto v jednej štúdii nepozrel. Práca vykonaná Lee a kol. je najbližšie. Rôzne frakcie NOM majú rôzny vplyv na membrány s rôznymi vlastnosťami. To vytvára dosť zložitú výskumnú maticu. Ak sa pozeráte na membránovú úpravu pre konkrétny zdroj vody, máte na vyhodnotenie aspoň jednu sadu premenných NOM.
Bohužiaľ, nie sme v bode, kde by sme mohli adekvátne odtlačiť NOM vo vodnom zdroji, aby sme mohli predpovedať potenciál znečistenia pre konkrétny typ membrány. To sa určí iba pokusom a omylom na nepretržite prevádzkovanom poloprevádzkovom zariadení. Pri výbere spôsobu predúpravy bez toho, aby sme sa zamerali na zanášanie špecifického NOM v napájacej vode membrány, bude zavádzajúce sa zamerať na celkový cieľ odstránenia NOM ako na cieľ úpravy.
Referencie
1. Howe, K; Clark, M; "Účinok koagulačnej predúpravy na výkon membrány", Journal AWWA, apríl 2006.
2. Yamamura, H; Kimura, K; Okajima, T; Tokumoto, H; Watanabe, Y; "Afinita funkčných skupín pre povrchy membrán: dôsledky pre fyzikálne ireverzibilné znečistenie", Environmental Science & Technology, zväzok. 42, č.. 14, 2008.
3. Lee, N; Amy, G; Croue, J; Buisson, H; "Identifikácia a pochopenie znečistenia pri nízkotlakovej membránovej (MF/UF) filtrácii prírodnou organickou hmotou (NOM)", Water Research 38 (2004), 4511-4523.
