Zavedení
Keramické membrány se staly preferovanou technologií pro čištění vody a odpadních vod díky své mechanické pevnosti, chemické odolnosti, tepelné stabilitě a dlouhé životnosti ve srovnání s polymerními membránami. Ale jako každý membránový proces, i keramické membrány trpí trvalým problémem: znečištěním, zejména rozpuštěnou a makromolekulární organickou hmotou, jako jsou huminové kyseliny, proteiny a přírodní organická hmota (NOM). Znečištění snižuje tok permeátu, zvyšuje náklady na energii a zkracuje životnost membrány.
Jedním ze slibnějších řešení, které se v posledních letech objevilo, je spárování keramických membrán s generátory nanobublin (a mikro-nanobublin, MNB). Tato kombinace se používá jak k prevenci zanášení během filtrace, tak k čištění membrán, které jsou již znečištěné -, a v některých konfiguracích k aktivnímu rozkladu organických polutantů v samotné napájecí vodě.
Co jsou nanobubliny?
Nanobubliny jsou plynové bubliny o průměru zhruba 100–200 nanometrů až několika mikrometrů - mnohem menší než bubliny vytvářené konvenčním provzdušňováním. Kvůli své velikosti se chovají velmi odlišně od běžných bublin:
- Nestoupají rychle a nevyskakují.Nanobubliny mají téměř-neutrální vztlak a ve vodě mohou zůstat viset několik dní nebo týdnů, nikoli sekund.
- Nesou negativní povrchový náboj, což jim pomáhá adsorbovat se na organické nečistoty a částice suspendované ve vodě a interagovat s nimi.
- Když se zhroutí, generují lokalizované smykové síly a v některých případech reaktivní formy kyslíku (ROS).jako jsou hydroxylové radikály (•OH), které mohou pomoci rozkládat organické molekuly.
- Dramaticky zvyšují účinnost přenosu hmoty-do{1}}kapalné hmoty, na čemž hodně záleží, když je použitý plyn silný oxidant jako ozon.
Generátory nanobublin obvykle produkují tyto bubliny pomocí jednoho z mála mechanismů: rotačních/venturiho zařízení s vysokým střihem, tlakovým uvolňováním rozpuštěného- plynu (podobně jako flotace rozpuštěným vzduchem) nebo ultrazvukovou kavitací. Použitým plynem může být obyčejný vzduch/kyslík nebo - pro agresivnější úpravu - ozónu.
Proč kombinovat nanobubliny s keramickými membránami?
1. Prevence znečištění během filtrace
Mikro a nanobubliny prokázaly pozoruhodnou účinnost v prevenci znečištění a napomáhání čištění membrány napříč různými filtračními technikami a při filtraci s křížovým tokem použití těchto bublinek obnovilo tok keramické membrány na 80 % po zpětném promytí.Bublinky se typicky zavádějí do přiváděného proudu nebo se používají během cyklů zpětného proplachování, kde pomáhají čistit povrch membrány a narušovat vrstvu koláče organických znečišťujících látek předtím, než dojde ke konsolidaci.
2. Vylepšené chemické-čištění-na místě (CIP) s ozonem
Snad nejvíce prozkoumanou aplikací je kombinace ozónu s generováním nanobublin pro CIP čištění keramických membrán znečištěných rozpuštěnými a makromolekulárními organickými látkami.Technologie ozonových mikro-nano{1}}bublinek dokáže účinně uvolnit strukturu vrstvy znečišťujících látek na povrchu membrány, snížit přilnavost znečišťujících látek a hydroxylové radikály produkované prostřednictvím katalýzy oxidem hlinitým v keramické membráně mohou dosáhnout hloubkového čištění kontaminované membrány.Nanobubliny poskytují smykovou sílu potřebnou k fyzickému uvolnění vrstvy znečišťující látky a současně dosahují mnohem vyšší účinnosti přenosu hmoty ozonu než konvenční bublinková difúze -, což znamená, že se plýtvá méně plynného ozonu a více ho ve skutečnosti reaguje se znečišťující látkou.
Byla vytvořena související studienový systém generátoru nanobublin ozónu- k čištění znečištěné keramické membrány, který se obvykle používá v průmyslu barviv, a zjistil, že se povrchové charakteristiky membrány výrazně změnily, se sníženou drsností povrchu a akumulací nečistot, jak potvrdila mikroskopie atomární síly, rastrovací elektronová mikroskopie, rentgenová fluorescence a energetická-disperzní spektroskopie.Fourierova -transformační infračervená (FTIR) spektroskopie zbytkového znečištění ukázala charakteristické organické znaky - vodíkové-skupiny vázané na atomy uhlíku a nenasycené uhlíkové-uhlíkové vazby - v souladu s ozónovými nanobublinkami, které rozkládají složité molekuly organického znečištění, spíše než aby je jednoduše uvolňovaly neporušené.
3. Vzduchové/kyslíkové nanobubliny jako alternativa s nižšími{1}}náklady
Ne každá aplikace vyžaduje ozón.Ghadimkhani a kol. prokázali úspěšné uvolnění pórů keramické membrány pomocí vzduchových nanobublin v pilotním- i zkušebním-rozboru a obnovili tok permeátu na původní hodnoty.V jednom experimentuhuminová kyselina plně ucpala keramickou membránu během 6 hodin, čímž snížila tok téměř na nulu, ale když byla znečištěná membrána naplněna vodou s nanobublinami, počáteční tok byl obnoven do 2 hodin - účinek připisovaný rozkladu organické hmoty volnými radikály generovanými při kolapsu vzduchových nanobublin.To naznačuje, že i bez silného oxidantu, jako je ozón, může fyzikální kolaps nanobublin vytvořit dostatek lokalizovaných reaktivních látek, které pomohou degradovat adsorbované organické látky.
Vzduchové nanobubliny jsou atraktivní, protože se vyhýbají kapitálovým a bezpečnostním nákladům na-generování ozonu na místě, což z nich činí dostupnější možnost pro menší čistírny nebo průmyslová odvětví, jako je zpracování mléka, kde se také ukázalo, že nanobubliny zlepšují tok a zkracují dobu filtrace.
4. Předúprava pro následné membránové procesy
Keramické membrány se také používají jako krok předúpravy před přísnějšími membránami, jako je nanofiltrace (NF), a přístupy s pomocí nanobublin/ozónu- mohou zlepšit, jak dobře tato předúprava funguje. V jedné studii pitné-vody-odpadní vody z rostlinné výrobyproces hybridní keramické membrány a nanofiltrace dosáhl průměrné míry odstranění 95,60 % pro rozpuštěný organický uhlík, 98,55 % pro UV254 (zástupný obsah aromatických organických látek), 34,50 % pro vodivost a 50,71 % pro vápník - zlepšení o 4,70 %, 1,40 %, 16,40 %, 16,55 % nano6,3.% v tomto pořadí Předběžná úprava keramické membrány také snížila nevratné znečištění následné NF membrány v řadě koncentrací znečišťujících látek a skenovací elektronová mikroskopie potvrdila, že tato předúprava zmírnila zanášení na povrchu NF membrány.
Samostatně bylo zkoumáno proplachování povrchu-ozónem jako způsob, jak snížit potřebu konvenční předúpravy mikrofiltrací/ultrafiltrací před keramickými nanofiltračními membránami. Konvenční předúprava pomocí multi-filtrace médií, mikrofiltrace nebo ultrafiltrace před nanofiltrací zvyšuje investiční náklady, fyzickou stopu a složitost systému, takže nahrazení -předúpravy založené na filtraci procesem založeným na ozónu{4}} je přitažlivým způsobem, jak snížit náklady a stopu, zejména v prostředí městské recyklace vody.
5. Přímá degradace organických polutantů
Kromě čištění membrán jsou systémy mikro-nanobublin stále více studovány jako pokročilá oxidační-technologie sama o sobě.V jedné studii čištění odpadních vod kombinace hydrodynamického kavitačního generátoru s dodatečným oxidačním procesem zvýšila celkovou účinnost odstraňování organického uhlíku na 40,01 % za 90 minut ve srovnání s pouhými 14,61 % při použití samotného kavitačního generátoru. To ilustruje, že systémy nanobublin/kavitace často fungují nejlépe jako součást hybridního procesu spíše než jako samostatné čištění.
Jak funguje typický systém
Kombinovaný systém nanobublin a keramické membrány obecně zahrnuje:
- Zásobování plynem- okolního vzduchu, kyslíku nebo ozónu generovaného-na místě.
- Generátor nanobublin- Venturiho trubici, střižné-čerpadlo nebo tlakovou{2}}rozpouštěcí jednotku, která vstřikuje plyn do vody jako nanobubliny.
- Stádium kontaktu/reakceVoda obohacená o -nanobubliny- je buď nepřetržitě přiváděna do membránového napájecího proudu, nebo se používá v periodických cyklech zpětného proplachování/CIP.
- Modul s keramickou membránou- typicky hliníkové, zirkoničité nebo titanové -trubkové nebo ploché-plechové prvky, provozované v režimu příčného toku nebo slepé-konce.
- Sledování- tok a transmembránový tlak jsou sledovány, aby bylo možné určit, kdy je potřeba cyklus čištění s pomocí nanobublin{1}}.
Výhody kombinovaného přístupu
- Vyšší regenerace tokupo čištění, často bez použití agresivních chemických čisticích prostředků.
- Snížená spotřeba chemikálií- zvláště cenné tam, kde nanobubliny ozónu nahrazují nebo snižují používání kyselých/žíravých čisticích chemikálií.
- Lepší přenos hmoty oxidantů, takže k dosažení stejného čisticího účinku je potřeba méně ozónu nebo vzduchu.
- Prodloužená životnost membránydíky šetrnějšímu, rovnoměrnějšímu čištění ve srovnání s agresivním chemickým nebo mechanickým čištěním.
- Potenciál zmenšit stopu předúpravypři použití před těsnějšími membránami jako NF nebo RO.
Omezení a otevřené otázky
Navzdory slibným výsledkům vědci zaznamenali některé mezery:
Vliv velikosti a koncentrace bublin na kontrolu zanášení není dosud plně objasněn a optimální provozní parametry mohou být specifické pro systém- a znečištění-.
Systémy s nanobublinkami ozónu vyžadují pečlivé kontroly kompatibility materiálů, řízení vypínání{0}}plynu a bezpečnostní kontroly vzhledem k toxicitě ozonu.
Většina publikovaných výsledků pochází ze srovnávacích- nebo pilotních{1}}studií; rozsáhlé-dlouhodobé-provozní údaje jsou stále omezené.
Výkon závisí do značné míry na povaze organického znečištění (např. huminové kyseliny vs. proteiny vs. syntetická barviva), takže výsledky nemusí vždy zobecňovat napříč aplikacemi.
Závěr
Spárování generátorů nanobublin s keramickými membránami představuje jeden z praktičtějších pokroků v kontrole zanášení vody a čištění odpadních vod. Ať už se používá pro prevenci usazování nečistot během filtrace, čištění CIP pomocí ozónu{1}} nebo jako předúpravu před nanofiltrací, technologie využívá jedinečnou fyziku nanobublin - s dlouhou stabilitou, vysokou povrchovou reaktivitou a účinným přenosem plynu - ke snížení spotřeby chemikálií, obnovení toku a prodloužení životnosti membrány. Jakmile budou základní mechanismy lépe charakterizovány, bude tato kombinace pravděpodobně svědkem širšího uplatnění v oblasti úpravy pitné vody, průmyslového čištění odpadních vod a aplikací opětovného použití vody.