Introduksjon
Keramiske membraner har blitt en foretrukket teknologi for vann- og avløpsvannbehandling takket være deres mekaniske styrke, kjemiske motstand, termiske stabilitet og lange levetid sammenlignet med polymermembraner. Men som enhver membranprosess, lider keramiske membraner av et vedvarende problem: begroing, spesielt av oppløst og makromolekylært organisk materiale som humussyrer, proteiner og naturlig organisk materiale (NOM). Tilsmussing reduserer permeatfluksen, øker energikostnadene og forkorter membranens levetid.
En av de mer lovende løsningene som har dukket opp de siste årene er sammenkobling av keramiske membraner med nanoboblegeneratorer (og mikro-nanoboble, MNB). Denne kombinasjonen brukes både for å forhindre tilsmussing under filtrering og for å rense membraner som allerede er tilsmusset - og i enkelte konfigurasjoner, for aktivt å bryte ned organiske forurensninger i selve matevannet.
Hva er nanobobler?
Nanobobler er gassbobler som er omtrent 100–200 nanometer til noen få mikrometer i diameter - langt mindre enn boblene som produseres ved konvensjonell lufting. På grunn av størrelsen deres oppfører de seg veldig annerledes enn vanlige bobler:
- De hever seg ikke raskt og spretter.Nanobobler har nesten-nøytral oppdrift og kan forbli suspendert i vann i dager eller uker i stedet for sekunder.
- De har en negativ overflateladning, som hjelper dem å adsorbere på og samhandle med organiske forurensninger og partikler suspendert i vann.
- Når de kollapser, genererer de lokaliserte skjærkrefter og, i noen tilfeller, reaktive oksygenarter (ROS)som hydroksylradikaler (•OH), som kan bidra til å bryte ned organiske molekyler.
- De øker gass-til-masseoverføringseffektiviteten dramatisk, som betyr mye når den involverte gassen er en sterk oksidant som ozon.
Nanoboblegeneratorer produserer vanligvis disse boblene ved hjelp av en av få mekanismer: høy-skjærrotasjons-/venturienheter, trykksatt oppløst-gassfrigjøring (ligner oppløst luftflotasjon) eller ultralydkavitasjon. Gassen som brukes kan være ren luft/oksygen, eller - for mer aggressiv behandling av - ozon.
Hvorfor kombinere nanobobler med keramiske membraner?
1. Forebygging av begroing under filtrering
Mikro- og nanobobler har vist bemerkelsesverdig effektivitet i å forhindre begroing og hjelpe membranrengjøring på tvers av forskjellige filtreringsteknikker, og i kryssstrømfiltrering gjenopprettet bruken av disse boblene keramisk membranfluks til 80 % etter tilbakespyling.Boblene blir vanligvis introdusert i matestrømmen eller brukt under tilbakespylingssykluser, der de hjelper til med å skure membranoverflaten og forstyrre kakelaget av organiske forurensninger før det konsolideres.
2. Forbedret kjemisk-på-rengjøring (CIP) med ozon
Den kanskje mest undersøkte applikasjonen er å kombinere ozon med nanoboblegenerering for CIP-rensing av keramiske membraner tilsmusset av oppløste og makromolekylære organiske stoffer.Ozon-mikro-nano-bobleteknologi kan effektivt løsne strukturen til begroingslaget på membranoverflaten, redusere adhesjonen til begroing, og hydroksylradikalene som produseres gjennom katalyse av aluminaen i den keramiske membranen, kan oppnå dyp rensing av den forurensede membranen.Nanoboblene gir skjærkraften som trengs for fysisk å fjerne begroingslaget, samtidig som de oppnår mye høyere ozonmasseoverføringseffektivitet enn konvensjonell boblediffusjon -, noe som betyr at mindre ozongass går til spille og mer av den faktisk reagerer med tilsmussingen.
En relatert studie byggetet nytt ozon-nanoboblegeneratorsystem for å rense en tilsmusset keramisk membran som vanligvis brukes i fargestoffindustrien, og fant ut at overflateegenskapene til membranen endret seg betydelig, med redusert overflateruhet og akkumulering av tilsmussing som bekreftet av atomkraftmikroskopi, skanningelektronmikroskopi, røntgen--spektroskopi, energi- og energi.Fourier-transform infrarød (FTIR) spektroskopi av gjenværende begroing viste karakteristiske organiske signaturer - hydrogen-bundne grupper og umettede karbon-karbonbindinger - i overensstemmelse med ozon-nanoboblene som bryter ned komplekse organiske tilsmussingsmolekyler som løsner dem i stedet for bare å løsne dem.
3. Luft-/oksygen-nanobobler som et billigere-alternativ
Ikke alle applikasjoner krever ozon.Ghadimkhani et al. demonstrerte vellykket tømming av keramiske membranporer ved bruk av luft-nanobobler i både pilot-- og benke--skalaundersøkelser, og gjenopprettet permeatfluksen til sine opprinnelige verdier.I ett eksperiment,humussyre tilstoppet en keramisk membran fullstendig i løpet av 6 timer, og reduserte fluksen nesten til null, men når den tilsmussede membranen ble matet med nanoboblevann, ble den opprinnelige fluksen gjenopprettet innen 2 timer - en effekt som tilskrives nedbrytningen av organisk materiale av frie radikaler generert når luftnanoboblene kollapset.Dette antyder at selv uten en sterk oksidant som ozon, kan den fysiske kollapsen av nanobobler generere nok lokaliserte reaktive arter til å hjelpe til med å bryte ned adsorberte organiske stoffer.
Luftnanobobler er attraktive fordi de unngår kapital- og sikkerhetskostnadene ved -ozongenerering på stedet, noe som gjør dem til et mer tilgjengelig alternativ for mindre renseanlegg eller industrier som melkeproduksjon, der nanobobler også har vist seg å forbedre fluksen og redusere filtreringstiden.
4. Forbehandling for nedstrøms membranprosesser
Keramiske membraner blir også brukt som et forbehandlingstrinn foran tettere membraner som nanofiltrering (NF), og nanoboble-/ozonassisterte tilnærminger kan forbedre hvor godt denne forbehandlingen fungerer. I en studie av drikkevann-vann-anleggsproduksjonsavløpsvann,en hybrid keramisk membran-nanofiltreringsprosess oppnådde gjennomsnittlig fjerningshastighet på 95,60 % for oppløst organisk karbon, 98,55 % for UV254 (en proxy for aromatisk organisk innhold), 34,50 % for konduktivitet og 50,71 % for kalsium - forbedringer på 4,70 %, 16,70 %, 16,7 % og 4,70 %. 10,36 % henholdsvis over frittstående nanofiltrering. Den keramiske membranforbehandlingen reduserte også irreversibel begroing av nedstrøms NF-membranen over en rekke forurensningskonsentrasjoner, og skanningelektronmikroskopi bekreftet at denne forbehandlingen lindret begroing på NF-membranoverflaten.
Separat har ozon-basert overflatespyling blitt utforsket som en måte å redusere behovet for konvensjonell mikrofiltrering/ultrafiltreringsforbehandling foran keramiske nanofiltreringsmembraner. Konvensjonell forbehandling ved bruk av multi-mediefiltrering, mikrofiltrering eller ultrafiltrering før nanofiltrering gir betydelige kapitalkostnader, fysisk fotavtrykk og systemkompleksitet, så å erstatte filtrerings-basert forbehandling med en ozon-basert prosess er en tiltalende måte å redusere kostnader og fotavtrykk på, spesielt i urbane vanngjenvinningsinnstillinger.
5. Direkte nedbrytning av organisk forurensning
Utover membranrensing blir mikro-nanoboblesystemer i økende grad studert som en avansert oksidasjons-tilstøtende teknologi i seg selv.I en avløpsbehandlingsstudie, ved å kombinere en hydrodynamisk kavitasjonsgenerator med en ekstra oksidasjonsprosess, økte den totale effektiviteten til fjerning av organisk karbon til 40,01 % i løpet av 90 minutter, sammenlignet med bare 14,61 % ved bruk av kavitasjonsgeneratoren alene. Dette illustrerer at nanoboble-/kavitasjonssystemer ofte fungerer best som en del av en hybridbehandling i stedet for som en frittstående behandling.
Hvordan et typisk system fungerer
Et kombinert nanoboble-keramisk membransystem inkluderer vanligvis:
- Gassforsyning- omgivelsesluft, oksygen eller ozon generert på-stedet.
- Nanoboble generator- en venturi-, skjær--pumpe eller trykksatt-oppløsningsenhet som injiserer gassen i vann som nanobobler.
- Kontakt/reaksjonsstadium- nanoboble-anriket vann mates enten kontinuerlig inn i membrantilførselsstrømmen, eller brukes i periodiske tilbakespylings-/CIP-sykluser.
- Keramisk membranmodul- typisk aluminiumoksyd, zirkoniumoksyd eller titanoksyd-baserte rørformede eller flate-arkelementer, drevet i tverrflyt- eller blindveismodus-.
- Overvåking- fluks og transmembrantrykk spores for å bestemme når en nanoboble-assistert rengjøringssyklus er nødvendig.
Fordeler med den kombinerte tilnærmingen
- Høyere fluksgjenvinningetter rengjøring, ofte uten sterke kjemiske rengjøringsmidler.
- Redusert kjemikalieforbruk- spesielt verdifull der ozon-nanobobler erstatter eller reduserer bruken av syre/kaustiske rengjøringskjemikalier.
- Bedre masseoverføring av oksidanter, så det trengs mindre ozon eller luft for å oppnå samme renseeffekt.
- Forlenget membranlevetidpå grunn av skånsommere, jevnere rengjøring sammenlignet med aggressiv kjemisk eller mekanisk rengjøring.
- Potensial for å krympe fotavtrykket for forbehandlingnår den brukes foran tettere membraner som NF eller RO.
Begrensninger og åpne spørsmål
Til tross for lovende resultater, merker forskere noen hull:
Påvirkningen av boblestørrelse og konsentrasjon på begroingskontroll er ennå ikke fullt ut forstått, og optimale driftsparametere kan være system- og begroingsmiddel-spesifikke.
Ozon-nanoboblesystemer krever nøye kontroller av materialkompatibilitet, av{0}}gasshåndtering og sikkerhetskontroller gitt ozons toksisitet.
De fleste publiserte resultater kommer fra bench- eller pilot-skalastudier; stor-, langsiktig-driftsdata er fortsatt begrenset.
Ytelsen avhenger i stor grad av naturen til det organiske forurensningsmidlet (f.eks. humussyrer vs. proteiner vs. syntetiske fargestoffer), så resultatene generaliserer ikke alltid på tvers av applikasjoner.
Konklusjon
Sammenkoblingen av nanoboblegeneratorer med keramiske membraner representerer et av de mer praktiske fremskrittene innen begroingskontroll for vann- og avløpsvannbehandling. Enten den brukes til forebygging av begroing under filtrering, ozon-forbedret CIP-rensing eller som forbehandling i forkant av nanofiltrering, utnytter teknologien den unike fysikken til nanobobler - lang stabilitet, høy overflatereaktivitet og effektiv gassoverføring - for å redusere bruk av kjemikalier, gjenopprette flukslevetiden og forlenge levetiden. Etter hvert som de underliggende mekanismene blir bedre karakterisert, vil denne kombinasjonen sannsynligvis se bredere bruk på tvers av drikkevannsbehandling, industriell avløpsvannbehandling og gjenbruk av vann.
