Introduzzjoni
Il-membrani taċ-ċeramika saru teknoloġija preferuta għat-trattament tal-ilma u tad-drenaġġ grazzi għas-saħħa mekkanika tagħhom, reżistenza kimika, stabbiltà termali u ħajja twila ta 'servizz meta mqabbla ma' membrani polimeriċi. Iżda bħal kull proċess tal-membrana, il-membrani taċ-ċeramika jsofru minn problema persistenti: fouling, speċjalment minn materja organika maħlula u makromolekulari bħal aċidi umiċi, proteini u materja organika naturali (NOM). Il-fouling inaqqas il-fluss tal-permeat, jgħolli l-ispejjeż tal-enerġija, u jqassar il-ħajja tal-membrana.
Waħda mis-soluzzjonijiet l-aktar promettenti li ħarġu f'dawn l-aħħar snin hija tgħaqqad membrani taċ-ċeramika ma' ġeneraturi tan-nanobubble (u mikro-nanobubble, MNB). Din il-kombinazzjoni qed tintuża kemm biex tipprevjeni t-tniġġis waqt il-filtrazzjoni kif ukoll biex tnaddaf membrani li diġà huma mħawda - u f'xi konfigurazzjonijiet, biex tiddegrada b'mod attiv inkwinanti organiċi fl-ilma tal-għalf innifsu.
X'inhuma n-Nanobubbles?
Nanobubbles huma bżieżaq tal-gass bejn wieħed u ieħor 100–200 nanometru sa ftit mikrometri fid-dijametru - ferm iżgħar mill-bżieżaq prodotti mill-arjazzjoni konvenzjonali. Minħabba d-daqs tagħhom, iġibu ruħhom b'mod differenti ħafna mill-bżieżaq ordinarji:
- Huma ma jqumux malajr u pop.In-nanobżieżaq għandhom galleġġjenza kważi-newtrali u jistgħu jibqgħu sospiżi fl-ilma għal jiem jew ġimgħat aktar milli sekondi.
- Huma jġorru ħlas tal-wiċċ negattiv, li jgħinhom jassorbu fuq u jinteraġixxu ma 'foulants organiċi u partiċelli sospiżi fl-ilma.
- Meta jikkollassaw, jiġġeneraw forzi ta' shear lokalizzati u, f'xi każijiet, speċi ta' ossiġnu reattiv (ROS)bħal radicals hydroxyl (•OH), li jistgħu jgħinu jkissru molekuli organiċi.
- Huma jżidu b'mod drammatiku l-effiċjenza tat-trasferiment tal-massa tal-gass-għal-likwida, li jimporta ħafna meta l-gass involut huwa ossidant qawwi bħall-ożonu.
Ġeneraturi tan-nanobużżieqa tipikament jipproduċu dawn il-bżieżaq permezz ta' wieħed minn ftit mekkaniżmi: apparat ta' rotazzjoni/venturi ta' shear għoli-, rilaxx ta' gass maħlul- pressurizzat (simili għall-flotazzjoni tal-arja maħlula), jew cavitation ultrasonika. Il-gass użat jista' jkun arja/ossiġnu sempliċi, jew - għal trattament aktar aggressiv - ożonu.
Għaliex Għaqqad Nanobubbles ma 'Membrani taċ-ċeramika?
1. Prevenzjoni tal-fouling Waqt il-Filtrazzjoni
Mikro u nanobubbles wrew effikaċja notevoli fil-prevenzjoni tal-fouling u l-għajnuna għat-tindif tal-membrana f'diversi tekniki ta 'filtrazzjoni, u fil-filtrazzjoni crossflow, l-użu ta' dawn il-bżieżaq irrestawra l-fluss tal-membrana taċ-ċeramika għal 80% wara backwashing.Il-bżieżaq huma tipikament introdotti fin-nixxiegħa tal-għalf jew użati matul iċ-ċikli tal-backwash, fejn jgħinu biex togħrok il-wiċċ tal-membrana u jfixklu s-saff tal-kejk ta 'foulants organiċi qabel ma jikkonsolida.
2. Tindif Kimika-fil--Mtejba (CIP) bl-Ożonu
Forsi l-aktar applikazzjoni riċerkata hija li tgħaqqad l-ożonu mal-ġenerazzjoni tan-nanobubble għat-tindif CIP ta 'membrani taċ-ċeramika mħawda minn organiċi maħlul u makromolekulari.L-ożonu mikro-nano-teknoloġija tal-bużżieqa tista 'effettivament itaffu l-istruttura tas-saff tal-foulant fuq il-wiċċ tal-membrana, tnaqqas l-adeżjoni tal-foulants, u r-radikali hydroxyl prodotti permezz tal-katalisi mill-alumina fil-membrana taċ-ċeramika jistgħu jiksbu tindif fil-fond tal-membrana kkontaminata.In-nanobubbles jipprovdu l-forza ta 'shear meħtieġa biex tneħħi fiżikament is-saff tal-foulant, filwaqt li fl-istess ħin jiksbu effiċjenza ferm ogħla tat-trasferiment tal-massa tal-ożonu minn diffużjoni konvenzjonali tal-bużżieqa - li jfisser li jinħela inqas gass tal-ożonu u aktar minnu fil-fatt jirreaġixxi mal-foulant.
Mibni studju relatatsistema ġdida ta' ġeneratur tal-ożonu-nanobubble biex tnaddaf membrana taċ-ċeramika mħawda tipikament użata fl-industrija taż-żebgħa, u sabet li l-karatteristiċi tal-wiċċ tal-membrana nbidlu b'mod sinifikanti, b'ħruxija tal-wiċċ mnaqqsa u akkumulazzjoni ta 'foulant kif ikkonfermat minn mikroskopija tal-forza atomika, mikroskopija elettronika tal-iskannjar, fluworexxenza tar-raġġi X, u spettroskopija{2}enerġetika.L-ispettroskopija ta' Fourier-transform infrared (FTIR) tal-foulant residwu wriet firem organiċi karatteristiċi - idroġenu-gruppi magħqudin u karbonju mhux saturat-rabtiet tal-karbonju - konsistenti man-nanobżieżaq tal-ożonu li jkissru molekuli ta' foulant organiku kumpless aktar milli sempliċiment imqiegħda f'distretti.
3. Nanobubbles ta' l-Arja/Ossiġenu bħala Alternattiva ta'-Spejjeż aktar Inferjuri
Mhux kull applikazzjoni teħtieġ l-ożonu.Ghadimkhani et al. wera l-iżblukkar b'suċċess tal-pori tal-membrana taċ-ċeramika bl-użu ta' nanobubbles tal-arja kemm f'investigazzjonijiet fuq skala pilota- kif ukoll f'bench-, u rrestawra l-fluss tal-permeat għall-valuri oriġinali tiegħu.F'esperiment wieħed,aċidu umiku misduda għal kollox membrana taċ-ċeramika fi żmien 6 sigħat, tnaqqas il-fluss kważi għal żero, iżda meta l-membrana mħawda ġiet mitmugħa bl-ilma nanobubble, il-fluss inizjali ġie rrestawrat fi żmien sagħtejn - effett attribwit għat-tqassim tal-materja organika minn radikali ħielsa ġġenerati hekk kif in-nanobubbles tal-arja waqgħu.Dan jissuġġerixxi li anki mingħajr ossidant qawwi bħall-ożonu, il-kollass fiżiku tan-nanobżieżaq jista 'jiġġenera biżżejjed speċi reattivi lokalizzati biex jgħinu jiddegradaw organiċi adsorbiti.
In-nanobżieżaq tal-arja huma attraenti minħabba li jevitaw l-ispejjeż kapitali u tas-sikurezza tal-ġenerazzjoni tal--ożonu fuq il-post, u jagħmluhom għażla aktar aċċessibbli għal impjanti ta' trattament iżgħar jew industriji bħall-ipproċessar tal-ħalib, fejn intwera wkoll li n-nanobżieżaq itejbu l-fluss u jnaqqsu l-ħin tal-filtrazzjoni.
4. Trattament minn qabel għal Proċessi tal-Membrana Downstream
Membrani taċ-ċeramika qed jintużaw ukoll bħala pass ta' trattament minn qabel qabel membrani aktar stretti bħan-nanofiltrazzjoni (NF), u approċċi assistiti minn nanobużżieqa/ożonu-jistgħu jtejbu kemm jaħdem tajjeb dak it-trattament minn qabel. Fi studju wieħed tal-ilma tax-xorb-ilma-ilma tad-drenaġġ tal-produzzjoni tal-pjanti,proċess ta 'membrana taċ-ċeramika ibrida-nanofiltrazzjoni kiseb rati medji ta' tneħħija ta '95.60% għal karbonju organiku maħlul, 98.55% għal UV254 (prokura għal kontenut organiku aromatiku), 34.50% għall-konduttività, u 50.71% għal kalċju - titjib ta' 4.70%, 1.6.1%, 1.6.1%, u 1.40.3% rispettivament. nanofiltrazzjoni waħedha. It-trattament minn qabel tal-membrana taċ-ċeramika naqqas ukoll il-fouling irriversibbli tal-membrana NF downstream fuq firxa ta 'konċentrazzjonijiet ta' tniġġis, u l-mikroskopija elettronika tal-iskannjar ikkonfermat li dan it-trattament minn qabel itaffu l-fouling fuq il-wiċċ tal-membrana NF.
Separatament, il-flushing tal-wiċċ ibbażat fuq l-ożonu- ġie esplorat bħala mod biex titnaqqas il-ħtieġa għal trattament minn qabel ta 'mikrofiltrazzjoni/ultrafiltrazzjoni konvenzjonali qabel il-membrani tan-nanofiltrazzjoni taċ-ċeramika. Trattament minn qabel konvenzjonali li juża filtrazzjoni multi-midja, mikrofiltrazzjoni, jew ultrafiltrazzjoni qabel in-nanofiltrazzjoni jżid spiża kapitali sinifikanti, footprint fiżiku, u kumplessità tas-sistema, għalhekk is-sostituzzjoni ta' pretrattament ibbażat fuq filtrazzjoni-bi proċess ibbażat fuq l-ożonu-huwa mod attraenti biex titnaqqas l-ispiża u l-footprint, speċjalment f'ambjenti ta' riċiklaġġ tal-ilma urban.
5. Degradazzjoni Diretta ta' Pollutant Organiku
Lil hinn mit-tindif tal-membrana, is-sistemi ta' mikro-nanobubble huma dejjem aktar studjati bħala teknoloġija avvanzata ta' ossidazzjoni-maġenbhom waħedhom.Fi studju wieħed tat-trattament tad-drenaġġ, li tgħaqqad ġeneratur ta 'cavitation idrodinamiku ma' proċess ta 'ossidazzjoni addizzjonali żied l-effiċjenza totali tat-tneħħija tal-karbonju organiku għal 40.01% fuq 90 minuta, meta mqabbel ma' 14.61% biss bl-użu tal-ġeneratur tal-kavitazzjoni waħdu.
Kif Taħdem Sistema Tipika
Sistema kombinata tan-nanobubble–membrana taċ-ċeramika ġeneralment tinkludi:
- Provvista tal-gass- arja ambjentali, ossiġnu, jew ożonu ġġenerati fuq-sit.
- Ġeneratur nanobubble- Venturi, shear-pompa, jew unità ta' dissoluzzjoni-pressa li tinjetta l-gass fl-ilma bħala nanobubbles.
- Stadju ta' kuntatt/reazzjoni- nanobubble-ilma arrikkit jew jiġi mdaħħal kontinwament fil-fluss ta' għalf tal-membrana, jew jintuża f'ċikli perjodiċi ta' backwash/CIP.
- Modulu tal-membrana taċ-ċeramika- tipikament elementi ta' folja tubulari jew ċatti-ibbażati fuq alumina, żirkonja jew titanja-, operati f'modalità crossflow jew dead end-.
- MonitoraġġIl-fluss ta' - u l-pressjoni transmembrana jiġu ssorveljati biex jiġi ddeterminat meta jkun meħtieġ ċiklu ta' tindif assistit tan-nanobubble-.
Vantaġġi tal-Approċċ Magħqud
- Irkupru ta 'fluss ogħlawara t-tindif, ħafna drabi mingħajr aġenti tat-tindif kimiċi ħarxa.
- Konsum kimiku mnaqqas- ta' valur speċjalment fejn in-nanobżieżaq tal-ożonu jissostitwixxu jew inaqqsu l-użu ta' kimiċi tat-tindif aċidi/kawstiċi.
- Trasferiment aħjar tal-massa ta 'ossidanti, għalhekk inqas ożonu jew arja huwa meħtieġ biex jinkiseb l-istess effett ta 'tindif.
- Ħajja tal-membrana estiżaminħabba tindif ġentili u aktar uniformi meta mqabbel ma 'tindif kimiku jew mekkaniku aggressiv.
- Potenzjal li tiċkien footprint ta 'pretrattamentmeta jintuża qabel membrani aktar stretti bħal NF jew RO.
Limitazzjonijiet u Mistoqsijiet Miftuħa
Minkejja riżultati promettenti, ir-riċerkaturi jinnotaw xi lakuni:
L-influwenza tad-daqs tal-bużżieqa u l-konċentrazzjoni fuq il-kontroll tal-fouling għadha mhix mifhuma bis-sħiħ, u l-aħjar parametri operattivi jistgħu jkunu speċifiċi għas-sistema- u għall-foulant-.
Is-sistemi tan-nanobużżieqa tal-ożonu jeħtieġu kontrolli bir-reqqa tal-kompatibilità tal-materjal, ġestjoni tal--gass mitfi, u kontrolli tas-sikurezza minħabba t-tossiċità tal-ożonu.
Il-biċċa l-kbira tar-riżultati ppubblikati ġejjin minn studji fuq skala bank- jew pilota-; data operazzjonali fuq-skala kbira,-fit-tul għadha limitata.
Il-prestazzjoni tiddependi ħafna fuq in-natura tal-foulant organiku (eż., aċidi umiċi vs proteini vs żebgħa sintetiċi), għalhekk ir-riżultati mhux dejjem jiġġeneralizzaw madwar l-applikazzjonijiet.
Konklużjoni
It-tqabbil ta 'ġeneraturi tan-nanobubble ma' membrani taċ-ċeramika jirrappreżenta wieħed mill-aktar avvanzi prattiċi fil-kontroll tal-fouling għat-trattament tal-ilma u tad-drenaġġ. Kemm jekk użata għall-prevenzjoni tal-fouling waqt il-filtrazzjoni, tindif CIP mtejjeb bl-ożonu-, jew bħala trattament minn qabel qabel in-nanofiltrazzjoni, it-teknoloġija tisfrutta l-fiżika unika tan-nanobubbles - stabbiltà fit-tul, reattività għolja tal-wiċċ, u trasferiment effiċjenti tal-gass - biex tnaqqas l-użu kimiku, tirrestawra l-fluss tal-ħajja tas-servizz, u testendi l-ħajja tal-membrana. Hekk kif il-mekkaniżmi sottostanti jsiru karatterizzati aħjar, din il-kombinazzjoni x'aktarx se tara adozzjoni usa 'fuq it-trattament tal-ilma tax-xorb, it-trattament tal-ilma tad-drenaġġ industrijali, u l-applikazzjonijiet għall-użu mill-ġdid tal-ilma.