Je dobře známou skutečností, že přírodní organická hmota (NOM) je jedním z hlavních přispěvatelů k nízkotlakému -zanášení membrány, ale dokáže někdo skutečně určit, jaká konkrétní část NOM je zodpovědná? Na základě různých závěrů výzkumu, které jsem viděl, je pravděpodobné, že neexistuje žádná „jedna{1}}velikost-hodící-všem“.
Existuje mnoho způsobů, jak lze NOM charakterizovat, a obvykle se výzkum zabýval pouze jednou nebo dvěma z těchto charakteristik současně, aby zjistil, jaká frakce NOM je zodpovědná za znečištění membrány.
NOM není NOM…
Charakteristiky NOM se mohou výrazně lišit vodní zdroj od vodního zdroje v závislosti na organické hmotě v povodí, geologických podmínkách, klimatu atd. Nejběžnějšími proměnnými používanými k charakterizaci organické hmoty jsou velikost, struktura a funkčnost.
Tyto proměnné jsou dále definovány takto:
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 µm), rozpuštěný (<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.
Struktura: Frakce NOM lze také popsat jako hydrofobní (aromatická) nebo hydrofilní (alifatická) struktura, která ukazuje, zda NOM je vodoodpudivý (hydrofobní) nebo vodu adsorbující (hydrofilní).
Funkčnost/náboj: NOM lze také charakterizovat obsahem funkčních skupin (huminové a fulvokyseliny), které ovlivňují hustotu (negativního) náboje NOM.
Aby se charakterizace dále zkomplikovala, hydrofobní až hydrofilní NOM může mít nízkou až vysokou molekulovou hmotnost, i když jako orientační pravidlo mají hydrofobní NOM frakce obecně vyšší MW.
Kromě vlastností NOM budou pravděpodobně hrát roli také vlastnosti nízkotlaké membrány samotné, zda NOM povede k zanášení či nikoli. Proměnné, jako je velikost pórů membrány, povrchový náboj a drsnost povrchu, mohou mít vliv na to, zda k zanášení NOM dochází blokováním pórů, adsorpcí nebo tvorbou gelové vrstvy.
Co tedy způsobuje znečištění??
Se všemi těmito znalostmi o NOM a membránách musíme být schopni určit, které vlastnosti vedou k zanášení membrány, že? Bylo provedeno mnoho studií, od laboratorních až po úplné-prozkoumání dopadů různých frakcí NOM na výkon membrán. Zde je velmi stručný souhrn zjištění některých z nich:
Howe a Clark (2006) došli k závěru, že je to rozpuštěná a koloidní frakce NOM v rozmezí velikosti 100 kDa až 1 um, která je zodpovědná za většinu potenciálu zanášení membrány. Tato vyšší MW frakce NOM je odstraněna koagulací a předpokládá se, že je hydrofobnější a kyselejší.
Yamamura a kol. (2008) a Lee a kol. (2004) zjistili, že hydrofilní frakce NOM přispívá k zanášení membrány více než hydrofobní huminové látky. Lee a kol. také došli k závěru, že makromolekuly hydrofilního charakteru (např. polysacharidy) a/nebo koloidní organická hmota v hydrofilní frakci NOM mohou zanášet nízkotlaké membrány-. Je zajímavé poznamenat, že pro techniku, kterou Lee použil k izolaci polárních frakcí NOM, organické koloidy také končí v hydrofilní frakci. To může být důvod, proč jsou učiněna určitá zobecnění, že hydrofilní NOM je odpovědná za znečištění membrány, když je použita tato izolační technika, zatímco koloidní materiál může být ve skutečnosti zodpovědný za znečištění.
Větší pokles toku zaznamenal Lee et al. během mikrofiltrace (MF) ve srovnání s ultrafiltrací (UF), kde bylo znečištění MF způsobeno ucpáním pórů většími makromolekulami a organickými koloidy, zatímco u UF (který má menší póry) byl pokles toku způsoben tvorbou gelové vrstvy, kterou lze snadněji zvrátit než ucpání pórů. Je zajímavé, že bylo zjištěno, že hydrofobní/hydrofilní vlastnosti membrán mají minimální dopad na zanášení membrány.
Důkaz je v pilotu...
Proč existuje tolik různých závěrů o tom, jaké frakce NOM jsou zodpovědné za znečištění membrány? Je to proto, že znečištění membrány je způsobeno kombinací NOM a charakteristik membrány, které nebyly sledovány současně, nebo existuje jiná charakteristika, která dosud nebyla identifikována?
Závěrem je, že všechny kritické proměnné byly identifikovány, ale nikdo se dosud (alespoň pokud jsem zjistil) na všechny tyto v jediné studii nepodíval. Práce provedená Lee et al. je nejblíže. Různé frakce NOM mají různé dopady na membrány s různými vlastnostmi. To vytváří poměrně složitou výzkumnou matrici. Pokud se díváte na membránovou úpravu pro konkrétní vodní zdroj, máte k vyhodnocení alespoň jednu sadu proměnných NOM.
Bohužel nejsme v bodě, kdy bychom mohli adekvátně otisknout NOM ve vodním zdroji, abychom byli schopni předpovědět potenciál znečištění pro konkrétní typ membrány. To bude určeno pouze pokusem a omylem na kontinuálně provozovaném poloprovozním zařízení. Bylo by chybou usilovat o dosažení cíle úplného odstranění NOM jako cíle úpravy při výběru procesu předúpravy, aniž bychom se také dívali na charakteristiky znečištění specifického NOM v membránové napájecí vodě.
Reference
1. Howe, K; Clark, M; "Vliv předúpravy koagulací na výkon membrány", Journal AWWA, duben 2006.
2. Yamamura, H; Kimura, K; Okajima, T; Tokumoto, H; Watanabe, Y; "Afinita funkčních skupin pro povrchy membrán: důsledky pro fyzikálně nevratné znečištění", Environmental Science & Technology, svazek. 42, č.. 14, 2008.
3. Lee, N; Amy, G; Croue, J; Buisson, H; "Identifikace a pochopení znečištění při nízkotlaké membránové (MF/UF) filtraci přírodní organickou hmotou (NOM)", Water Research 38 (2004), 4511-4523.
