Sissejuhatus
Keraamilised membraanid on muutunud eelistatud tehnoloogiaks vee ja reovee puhastamisel tänu nende mehaanilisele tugevusele, keemilisele vastupidavusele, termilisele stabiilsusele ja pikale kasutuseale võrreldes polümeermembraanidega. Kuid nagu iga membraaniprotsess, kannatavad keraamilised membraanid püsiva probleemi all: saastumine, eriti lahustunud ja makromolekulaarsete orgaaniliste ainete, näiteks humiinhapete, proteiinide ja loodusliku orgaanilise aine (NOM) tõttu. Saastumine vähendab permeaadi voogu, suurendab energiakulusid ja lühendab membraani eluiga.
Üks viimastel aastatel paljutõotavamaid lahendusi on keraamiliste membraanide sidumine nanomullide (ja mikro{0}}nanomullide, MNB) generaatoritega. Seda kombinatsiooni kasutatakse nii määrdumise vältimiseks filtreerimise ajal kui ka juba määrdunud membraanide puhastamiseks - ning teatud konfiguratsioonides, et toitevees endas aktiivselt lagundada orgaanilisi saasteaineid.
Mis on nanomullid?
Nanomullid on gaasimullid, mille läbimõõt on ligikaudu 100–200 nanomeetrit kuni mõne mikromeetrini, - mis on palju väiksemad kui tavalise aeratsiooniga tekitatud mullid. Oma suuruse tõttu käituvad nad tavalistest mullidest väga erinevalt:
- Nad ei tõuse kiiresti ega hüppa.Nanomullidel on peaaegu{0}}neutraalne ujuvus ja nad võivad vees hõljuma jääda pigem päevadeks või nädalateks kui sekunditeks.
- Neil on negatiivne pinnalaeng, mis aitab neil adsorbeerida vees suspendeeritud orgaaniliste saasteainete ja osakestega ning nendega suhelda.
- Kui need kokku varisevad, tekitavad nad lokaalseid nihkejõude ja mõnel juhul reaktiivseid hapniku liike (ROS).nagu hüdroksüülradikaalid (•OH), mis võivad aidata orgaanilisi molekule lagundada.
- Need suurendavad järsult gaasi{0}}vedelaks{1}}massiülekande efektiivsust, mis on väga oluline, kui gaas on tugev oksüdeerija nagu osoon.
Nanomullide generaatorid toodavad tavaliselt neid mullikesi, kasutades ühte vähestest mehhanismidest: suure-nihkejõuga pöörlevad/Venturi seadmed, rõhu all oleva lahustunud-gaasi vabastamine (sarnane lahustunud õhu flotatsiooniga) või ultrahelikavitatsioon. Kasutatav gaas võib olla puhas õhk/hapnik või - agressiivsemaks töötlemiseks - osoon.
Miks kombineerida nanomulle keraamiliste membraanidega?
1. Saastumise vältimine filtreerimise ajal
Mikro- ja nanomullid on näidanud märkimisväärset tõhusust saastumise ärahoidmisel ja membraani puhastamisel erinevate filtreerimismeetodite puhul ning ristvoolufiltrimisel taastas nende mullide kasutamine keraamilise membraani voo 80%-ni pärast tagasipesu.Mullid sisestatakse tavaliselt toitevoogu või kasutatakse tagasipesutsüklite ajal, kus need aitavad membraani pinda küürida ja lõhuvad orgaaniliste saasteainete kookikihi enne selle konsolideerumist.
2. Täiustatud keemiline-kohas-puhastus (CIP) osooniga
Võib-olla on enim uuritud rakendus osooni kombineerimine nanomullide tekitamisega lahustunud ja makromolekulaarsete orgaaniliste ainete poolt määrdunud keraamiliste membraanide CIP puhastamiseks.Osooni mikro{0}}nano-mullide tehnoloogia võib tõhusalt lõdvendada saastekihi struktuuri membraani pinnal, vähendades saasteainete nakkumist ning keraamilises membraanis oleva alumiiniumoksiidi katalüüsil tekkivad hüdroksüülradikaalid võivad saavutada saastunud membraani sügava puhastamise.Nanomullid annavad nihkejõu, mis on vajalik saastekihi füüsiliseks eemaldamiseks, saavutades samal ajal palju suurema osooni massiülekande efektiivsuse kui tavaline mullide difusioon -, mis tähendab, et osoonigaasi läheb raisku ja suurem osa sellest reageerib saasteainega.
Seotud uuring ehitatuduudne osoon-nanomullide generaatorsüsteem määrdunud keraamilise membraani puhastamiseks, mida tavaliselt kasutatakse värvitööstuses, ning leidis, et membraani pinnaomadused muutusid märkimisväärselt, vähendades pinna karedust ja saasteaine akumuleerumist, mida kinnitavad aatomjõumikroskoopia, skaneeriv elektronmikroskoopia, röntgenikiirgus, röntgen-, fluorestsents-, 2-fluorestsents- ja energiadispersioon.Fourier-transformatsiooni infrapuna (FTIR) spektroskoopia jääkainetest näitas iseloomulikke orgaanilisi tunnuseid - vesinik- ja küllastumata süsinik-süsiniksidemeid -, mis on kooskõlas osooni nanomullidega, mis lagundavad keerukaid orgaanilisi saasteaine molekule, mitte ei eraldanud neid lihtsalt dislokatsiooniks.
3. Õhu/hapniku nanomullid madalama hinnaga-alternatiivina
Mitte iga rakendus ei vaja osooni.Ghadimkhani jt. demonstreeris keraamilise membraani pooride edukat ummistumist õhu nanomullide abil nii piloot-- kui ka st{2}}skaalal -uuringutes, taastades permeaadivoo algväärtused.Ühes katsesHumiinhape ummistas keraamilise membraani täielikult 6 tunni jooksul, vähendades voogu peaaegu nullini, kuid kui määrdunud membraani toideti nanomulliveega, taastus esialgne voog 2 tunni jooksul -, mis tuleneb orgaanilise aine lagunemisest vabade radikaalide poolt, mis tekkisid õhu nanomullide kokkuvarisemisel.See viitab sellele, et isegi ilma tugeva oksüdeerijata, nagu osoon, võib nanomullide füüsiline kokkuvarisemine tekitada piisavalt lokaliseeritud reaktiivseid liike, mis aitavad adsorbeerunud orgaanilisi aineid lagundada.
Õhu nanomullid on atraktiivsed, kuna nad väldivad kohapeal osooni tootmisega seotud-kapitali- ja ohutuskulusid, muutes need kättesaadavamaks võimaluseks väiksematele puhastusjaamadele või tööstusharudele (nt piimatöötlemine), kus on näidatud, et nanomullid parandavad voogu ja lühendavad filtreerimisaega.
4. Eeltöötlus allavoolu membraaniprotsesside jaoks
Keraamilisi membraane kasutatakse ka eeltöötlusetapina tihedamatest membraanidest, nagu nanofiltratsioon (NF), ning nanomullide/osooni{0}}toega lähenemisviisid võivad selle eeltöötluse toimimist parandada. Ühes joogi-vee-tehaste tootmise reovee uuringushübriidse keraamilise membraani-nanofiltratsiooni protsessiga saavutati lahustunud orgaanilise süsiniku keskmised eemaldamismäärad 95,60%, UV254 (aromaatse orgaanilise sisalduse asendusnäitaja) 98,55%, juhtivuse 34,50% ja kaltsiumi - 50,71% täiustused vastavalt 4,70%, 1,40%, 1,40%, 3% üle 7 ja 16.0%. nanofiltreerimine. Keraamilise membraani eeltöötlus vähendas ka allavoolu NF-membraani pöördumatut saastumist saasteainete kontsentratsioonide vahemikus ja skaneeriv elektronmikroskoopia kinnitas, et see eeltöötlus leevendas NF-membraani pinna saastumist.
Eraldi on uuritud osoonipõhist -pindade loputamist kui võimalust vähendada tavapärase mikrofiltratsiooni/ultrafiltratsiooni eeltöötluse vajadust enne keraamiliste nanofiltreerimismembraanide kasutamist. Tavapärane eeltöötlus, kasutades multi-meediumifiltreerimist, mikrofiltreerimist või ultrafiltreerimist enne nanofiltreerimist, lisab märkimisväärseid kapitalikulusid, füüsilist jalajälge ja süsteemi keerukust, seega on filtreerimispõhise eeltöötluse asendamine osooni-põhise protsessiga ahvatlev viis kulude ja jalajälgede vähendamiseks, eriti linnavee ringlussevõtu seadetes.
5. Otsene orgaanilise saasteaine lagunemine
Lisaks membraanide puhastamisele uuritakse mikro{0}}nanomullisüsteeme üha enam kui täiustatud oksüdatsiooni{1}}kõrvutitehnoloogiat.Ühes reoveepuhastusuuringus tõstis hüdrodünaamilise kavitatsioonigeneraatori kombineerimine täiendava oksüdatsiooniprotsessiga orgaanilise süsiniku eemaldamise koguefektiivsust 90 minuti jooksul 40,01%-ni, võrreldes ainult 14,61%-ga ainult kavitatsioonigeneraatori kasutamisel. See näitab, et nanomulli-/kavitatsioonisüsteemid toimivad sageli kõige paremini hübriidprotsessi osana, mitte eraldiseisva töötlemisena.
Kuidas tüüpiline süsteem töötab
Kombineeritud nanomull-keraamiline membraansüsteem sisaldab üldiselt:
- Gaasivarustus- kohapeal tekkiv -välisõhk, hapnik või osoon.
- Nanomullide generaator- Venturi toru, nihke-pump või survestatud-lahustusseade, mis süstib gaasi nanomullidena vette.
- Kontakti/reaktsiooni staadium- nanomullidega-rikastatud vett kas juhitakse pidevalt membraani toitevoogu või kasutatakse perioodilistes tagasipesu/CIP-i tsüklites.
- Keraamiline membraanmoodul- tavaliselt alumiiniumoksiidil, tsirkooniumoksiidil või titaanoksiidil- põhinevad torukujulised või lamedad{2}}lehtelemendid, mida kasutatakse ristvoolu- või ummikus-.
- Järelevalve- voogu ja transmembraanset rõhku jälgitakse, et teha kindlaks, millal on vaja nanomullide{1}}abiga puhastustsüklit.
Kombineeritud lähenemisviisi eelised
- Suurem voo taastuminepärast puhastamist, sageli ilma tugevatoimeliste keemiliste puhastusvahenditeta.
- Vähendatud kemikaalide tarbimine- eriti väärtuslik, kui osooni nanomullid asendavad või vähendavad happeliste/söövitavate puhastuskemikaalide kasutamist.
- Parem oksüdeerijate massiülekanne, seega on sama puhastusefekti saavutamiseks vaja vähem osooni või õhku.
- Pikendatud membraani eluigatänu õrnemale, ühtlasemale puhastamisele võrreldes agressiivse keemilise või mehaanilise puhastusega.
- Võimalik vähendada eeltöötluse jalajälgekui seda kasutatakse enne tihedamaid membraane nagu NF või RO.
Piirangud ja avatud küsimused
Vaatamata paljutõotavatele tulemustele märgivad teadlased mõningaid lünki:
Mullide suuruse ja kontsentratsiooni mõju saastumise kontrollile ei ole veel täielikult mõistetud ning optimaalsed tööparameetrid võivad olla süsteemispetsiifilised{0}} ja saasteaine{1}}spetsiifilised.
Osooni nanomullide süsteemid nõuavad hoolikat materjalide ühilduvuse kontrolli, väljalülitatud-gaasi juhtimist ja osooni toksilisuse tõttu ohutuskontrolli.
Enamik avaldatud tulemusi pärineb bench{0}} või piloot-mahus tehtud uuringutest; suuremahulised-pikaajalised-operatsiooniandmed on endiselt piiratud.
Toimivus sõltub suuresti orgaanilise saasteaine olemusest (nt humiinhapped vs. valgud vs. sünteetilised värvained), mistõttu tulemused ei ole alati rakenduste lõikes üldistavad.
Järeldus
Nanomullide generaatorite sidumine keraamiliste membraanidega on üks praktilisemaid edusamme vee- ja reoveepuhastuse saastumise kontrollimisel. Olenemata sellest, kas seda kasutatakse filtreerimise ajal saastumise vältimiseks, osooniga -täiustatud CIP-puhastuseks või nanofiltratsiooni eeltöötluseks, kasutab see tehnoloogia nanomullide ainulaadset füüsikat - pika stabiilsuse, kõrge pinnareaktiivsuse ja tõhusa gaasiülekande - vähendamiseks, et vähendada kemikaalide kasutamist, taastada voogu ja pikendada membraani kasutusiga. Kuna aluseks olevad mehhanismid muutuvad paremini iseloomustatud, nähakse seda kombinatsiooni tõenäoliselt laialdasemalt kasutuselevõtt joogiveepuhastuse, tööstusliku reoveepuhastuse ja vee taaskasutamise rakendustes.