Įvadas
Keraminės membranos tapo pageidaujama vandens ir nuotekų valymo technologija dėl savo mechaninio stiprumo, cheminio atsparumo, terminio stabilumo ir ilgo tarnavimo laiko, palyginti su polimerinėmis membranomis. Tačiau, kaip ir bet kuris membraninis procesas, keraminės membranos kenčia nuo nuolatinės problemos: užsiteršimo, ypač dėl ištirpusių ir makromolekulinių organinių medžiagų, tokių kaip huminės rūgštys, baltymai ir natūralios organinės medžiagos (NOM). Užteršimas sumažina prasiskverbimo srautą, padidina energijos sąnaudas ir sutrumpina membranos tarnavimo laiką.
Vienas iš perspektyvesnių sprendimų, atsiradusių pastaraisiais metais, yra keraminių membranų suporavimas su nanoburbulų (ir mikro{0}}nanoburbulų, MNB) generatoriais. Šis derinys naudojamas siekiant išvengti užsiteršimo filtravimo metu ir valyti membranas, kurios jau yra užsiteršusios -, o kai kuriose konfigūracijose – aktyviai skaidyti organinius teršalus pačiame tiekimo vandenyje.
Kas yra nanoburbulai?
Nanoburbulai yra dujų burbuliukai, kurių skersmuo yra maždaug 100–200 nanometrų iki kelių mikrometrų, - daug mažesni nei burbulai, susidarantys naudojant įprastą aeraciją. Dėl savo dydžio jie elgiasi labai skirtingai nei įprasti burbuliukai:
- Jie greitai nepakyla ir neišnyksta.Nanoburbuliukai turi beveik{0}}neutralų plūdrumą ir gali likti pakibę vandenyje kelias dienas ar savaites, o ne sekundes.
- Jie turi neigiamą paviršiaus krūvį, kuri padeda jiems adsorbuotis ir sąveikauti su organiniais teršalais ir vandenyje suspenduotomis dalelėmis.
- Kai jie žlunga, jie sukuria vietines šlyties jėgas ir kai kuriais atvejais reaktyviąsias deguonies rūšis (ROS).pvz., hidroksilo radikalai (•OH), kurie gali padėti suskaidyti organines molekules.
- Jie žymiai padidina dujų{0}}į-skysčio masės perdavimo efektyvumą, o tai labai svarbu, kai dujos yra stiprūs oksidatoriai, tokie kaip ozonas.
Nanoburbulų generatoriai paprastai gamina šiuos burbulus naudodami vieną iš kelių mechanizmų: didelio{0}}šlyties sukimosi / Venturi įtaisus, slėginį ištirpusių{1}}dujų išleidimą (panašų į ištirpusio oro flotaciją) arba ultragarsinę kavitaciją. Naudojamos dujos gali būti grynas oras/deguonis arba - agresyvesniam apdorojimui - ozonas.
Kodėl derinti nanoburbulus su keraminėmis membranomis?
1. Užteršimo prevencija filtravimo metu
Mikro ir nanoburbuliukai įrodė puikų veiksmingumą užkertant kelią užsiteršimui ir padedant valyti membraną taikant įvairius filtravimo būdus, o naudojant kryžminio srauto filtravimą, naudojant šiuos burbulus, keramikos membranos srautas buvo atkurtas iki 80 % po plovimo atgal.Burbuliukai paprastai patenka į tiekimo srovę arba naudojami atgalinio plovimo ciklų metu, kai jie padeda nušveisti membranos paviršių ir suardo organinių teršalų sluoksnį, kol jis sutvirtėja.
2. Patobulintas cheminis-vietoje-valymas (CIP) naudojant ozoną
Bene labiausiai ištirtas pritaikymas yra ozono derinimas su nanoburbulų generavimu keraminių membranų, užterštų ištirpusių ir makromolekulinių organinių medžiagų, CIP valymui.Ozono mikro{0}}nano-burbuliukų technologija gali veiksmingai atlaisvinti nešvarumų sluoksnio struktūrą ant membranos paviršiaus, sumažindama teršalų sukibimą, o hidroksilo radikalai, susidarantys katalizuojant aliuminio oksidui keraminėje membranoje, gali giliai išvalyti užterštą membraną.Nanoburbuliukai suteikia šlyties jėgą, reikalingą fiziškai pašalinti teršalų sluoksnį, tuo pat metu pasiekiant daug didesnį ozono masės perdavimo efektyvumą nei naudojant įprastinę burbuliukų difuziją -, o tai reiškia, kad švaistoma mažiau ozono dujų ir daugiau jų iš tikrųjų reaguoja su teršalu.
Pastatytas susijęs tyrimasnauja ozono -nanoburbulų generatoriaus sistema, skirta valyti užterštą keraminę membraną, paprastai naudojamą dažų pramonėje, ir nustatė, kad membranos paviršiaus charakteristikos labai pasikeitė, sumažėjo paviršiaus šiurkštumas ir nešvarumų kaupimasis, ką patvirtina atominės jėgos mikroskopija, skenuojanti elektronų mikroskopija, rentgeno spindulių dispersija, fluoroskopija ir fluoroskopija.Furjė -transformacijos infraraudonųjų spindulių (FTIR) likutinio teršalo spektroskopija parodė būdingas organines - vandenilio- jungties grupes ir nesočiosios anglies-anglies ryšius -, atitinkančius ozono nanoburbulus, ardančius sudėtingas organinių teršalų molekules, o ne tiesiog jas išskirdamos.
3. Oro/deguonies nanoburbuliukai kaip mažesnės kainos{1}}alternatyva
Ne kiekvienai programai reikalingas ozonas.Ghadimkhani ir kt. pademonstravo sėkmingą keraminės membranos porų užsikimšimą naudojant oro nanoburbulus tiek bandomuosiuose-, tiek stendiniuose{2}} tyrimuose, atkuriant prasiskverbimo srautą iki pradinių verčių.Viename eksperimente,humino rūgštis visiškai užkimšo keraminę membraną per 6 valandas, sumažindama srautą beveik iki nulio, bet kai užteršta membrana buvo paduodama nanoburbulų vandens, pradinis srautas buvo atkurtas per 2 valandas -, o tai susiję su organinių medžiagų skaidymu laisvųjų radikalų, susidarančių subyrėjus oro nanoburbulams.Tai rodo, kad net ir be stipraus oksidatoriaus, pavyzdžiui, ozono, fizinis nanoburbulų žlugimas gali sukurti pakankamai lokalizuotų reaktyviųjų rūšių, kurios padėtų skaidyti adsorbuotas organines medžiagas.
Oro nanoburbulai yra patrauklūs, nes išvengia kapitalo ir saugos sąnaudų, susijusių su ozono susidarymu vietoje,{0}}todėl jie yra labiau prieinami mažesniems valymo įrenginiams arba pramonės šakoms, pvz., pieno perdirbimui, kur, kaip įrodyta, nanoburbuliukai pagerina srautą ir sumažina filtravimo laiką.
4. Pirminis apdorojimas tolesniems membraniniams procesams
Keraminės membranos taip pat naudojamos kaip išankstinio apdorojimo žingsnis prieš griežtesnes membranas, pvz., nanofiltravimą (NF), o nanoburbulų / ozono{0}}pagalbiniai metodai gali pagerinti šio išankstinio apdorojimo efektyvumą. Viename tyrime dėl geriamojo-vandens-augalų gamybos nuotekų,hibridinės keraminės membranos ir nanofiltravimo procesas pasiekė vidutinį 95,60 % ištirpusios organinės anglies pašalinimo greitį, 98,55 % UV254 (aromatinių organinių medžiagų kiekio pavyzdį), 34,50 % laidumą ir 50,71 % kalcio - pagerėjimą atitinkamai 4,70 %, 1,40 %, 3 % ir 6,0 %. nanofiltracija. Išankstinis keraminės membranos apdorojimas taip pat sumažino negrįžtamą pasroviui esančios NF membranos užteršimą įvairiose teršalų koncentracijose, o skenuojanti elektroninė mikroskopija patvirtino, kad šis išankstinis apdorojimas sumažino NF membranos paviršiaus užteršimą.
Atskirai buvo ištirtas ozono -paviršiaus plovimas kaip būdas sumažinti įprastinio mikrofiltravimo / ultrafiltravimo išankstinio apdorojimo poreikį, o ne keramines nanofiltravimo membranas. Įprastas išankstinis apdorojimas, naudojant daugialypės terpės-filtravimą, mikrofiltravimą arba ultrafiltravimą prieš nanofiltravimą, padidina didelių kapitalo sąnaudų, padidina fizinį pėdsaką ir sistemos sudėtingumą, todėl filtravimu pagrįsto išankstinio apdorojimo pakeitimas ozono-pagrįstu procesu yra patrauklus būdas sumažinti išlaidas ir pėdsaką, ypač miesto vandens perdirbimo sąlygomis.
5. Tiesioginis organinių teršalų skaidymas
Be membranų valymo, mikro{0}}nanoburbulų sistemos vis dažniau tiriamos kaip pažangi oksidacijos{1}}greta technologija.Viename nuotekų valymo tyrime hidrodinaminio kavitacijos generatoriaus derinimas su papildomu oksidacijos procesu padidino bendrą organinės anglies šalinimo efektyvumą iki 40,01 % per 90 minučių, o naudojant vien kavitacijos generatorių – tik 14,61 %. Tai rodo, kad nanoburbulų / kavitacijos sistemos dažnai geriausiai veikia kaip hibridinio proceso dalis, o ne kaip atskiras apdorojimas.
Kaip veikia tipinė sistema
Kombinuotą nanoburbulų ir keraminių membranų sistemą paprastai sudaro:
- Dujų tiekimas- aplinkos oras, deguonis arba ozonas, susidaręs-svetainėje.
- Nanoburbulų generatorius- Venturi, šlyties-siurblys arba slėginio-tirpinimo įrenginys, kuris įpurškia dujas į vandenį nanoburbuliukų pavidalu.
- Kontakto/reakcijos stadija- nanoburbulais-prisodrintas vanduo arba nuolat tiekiamas į membranos tiekimo srautą, arba naudojamas periodiškais atgalinio plovimo / CIP ciklais.
- Keraminės membranos modulis- paprastai aliuminio oksido, cirkonio arba titano oksido-pagrindo vamzdiniai arba plokšti{2}}lakštiniai elementai, naudojami kryžminio srauto arba aklavietės
- Stebėjimas- srautas ir transmembraninis slėgis yra stebimi siekiant nustatyti, kada reikalingas valymo ciklas su nanoburbuliu{1}}.
Kombinuoto požiūrio privalumai
- Didesnis srauto atkūrimaspo valymo, dažnai be stiprių cheminių valymo priemonių.
- Sumažintas cheminių medžiagų suvartojimas- ypač vertinga, kai ozono nanoburbuliukai pakeičia arba sumažina rūgščių / kaustinių valymo cheminių medžiagų naudojimą.
- Geresnis oksidantų masės perdavimas, todėl norint pasiekti tokį patį valymo efektą, reikia mažiau ozono ar oro.
- Pailgintas membranos tarnavimo laikasdėl švelnesnio, tolygesnio valymo, palyginti su agresyviu cheminiu ar mechaniniu valymu.
- Galimybė sumažinti išankstinio apdorojimo pėdsakąkai naudojamas prieš griežtesnes membranas, tokias kaip NF arba RO.
Apribojimai ir atviri klausimai
Nepaisant daug žadančių rezultatų, mokslininkai pastebi keletą spragų:
Burbulo dydžio ir koncentracijos įtaka užsiteršimo kontrolei dar nėra visiškai suprantama, o optimalūs veikimo parametrai gali priklausyti nuo sistemos- ir teršalų-.
Atsižvelgiant į ozono toksiškumą, ozono nanoburbulų sistemoms reikia atidžiai tikrinti medžiagų suderinamumą, išjungti{0}}dujų tvarkymą ir saugos kontrolę.
Dauguma paskelbtų rezultatų gaunami iš bandomųjų- arba bandomųjų- masto tyrimų; didelio masto-ilgalaikiai veiklos duomenys- vis dar riboti.
Našumas labai priklauso nuo organinio teršalo pobūdžio (pvz., humino rūgštys ir baltymai, palyginti su sintetiniais dažikliais), todėl rezultatai ne visada apibendrinami įvairiose srityse.
Išvada
Nanoburbulų generatorių sujungimas su keraminėmis membranomis yra vienas iš praktiškesnių vandens ir nuotekų valymo užterštumo kontrolės pasiekimų. Nepriklausomai nuo to, ar ši technologija naudojama siekiant išvengti užteršimo filtravimo metu, ozono -patobulintu CIP valymui, ar kaip išankstinis apdorojimas prieš nanofiltravimą, ši technologija išnaudoja unikalią nanoburbulų - ilgo stabilumo, didelio paviršiaus reaktyvumo ir efektyvaus dujų perdavimo - fiziką, kad sumažintų cheminių medžiagų naudojimą, atkurtų srautą ir pailgintų membranos tarnavimo laiką. Kadangi pagrindiniai mechanizmai tampa geriau apibūdinti, tikėtina, kad šis derinys bus plačiai naudojamas geriamojo vandens valymo, pramoninių nuotekų valymo ir pakartotinio vandens naudojimo srityse.