Introduktion
Keramiska membran har blivit en föredragen teknik för vatten- och avloppsvattenrening tack vare deras mekaniska styrka, kemiska motståndskraft, termiska stabilitet och långa livslängd jämfört med polymermembran. Men som alla membranprocesser lider keramiska membran av ett ihållande problem: nedsmutsning, särskilt av löst och makromolekylärt organiskt material som humussyror, proteiner och naturligt organiskt material (NOM). Nedsmutsning minskar permeatflödet, höjer energikostnaderna och förkortar membranets livslängd.
En av de mer lovande lösningarna som har dykt upp de senaste åren är att para ihop keramiska membran med nanobubblegeneratorer (och mikro-nanobubbel, MNB). Denna kombination används både för att förhindra nedsmutsning under filtrering och för att rengöra membran som redan är nedsmutsade - och i vissa konfigurationer för att aktivt bryta ned organiska föroreningar i själva matarvattnet.
Vad är nanobubblor?
Nanobubblor är gasbubblor som är ungefär 100–200 nanometer till några mikrometer i diameter - mycket mindre än de bubblor som produceras av konventionell luftning. På grund av sin storlek beter de sig väldigt annorlunda än vanliga bubblor:
- De reser sig inte snabbt och poppar.Nanobubblor har nästan-neutral flytkraft och kan förbli svävande i vatten i dagar eller veckor istället för sekunder.
- De har en negativ ytladdning, vilket hjälper dem att adsorbera på och interagera med organiska föroreningar och partiklar suspenderade i vatten.
- När de kollapsar genererar de lokala skjuvkrafter och, i vissa fall, reaktiva syrearter (ROS)såsom hydroxylradikaler (•OH), som kan hjälpa till att bryta ner organiska molekyler.
- De ökar dramatiskt effektiviteten för massöverföring av gas-till-vätske, vilket spelar stor roll när den inblandade gasen är en stark oxidant som ozon.
Generatorer av nanobubblor producerar vanligtvis dessa bubblor med hjälp av en av få mekanismer: hög-rotations-/venturianordningar med hög skjuvning, trycksatt upplöst-gasutsläpp (liknande flotation med löst luft) eller ultraljudskavitation. Gasen som används kan vara vanlig luft/syre, eller - för mer aggressiv behandling av - ozon.
Varför kombinera nanobubblor med keramiska membran?
1. Förebyggande av nedsmutsning under filtrering
Mikro- och nanobubblor har visat anmärkningsvärd effektivitet när det gäller att förhindra nedsmutsning och underlätta membranrengöring genom olika filtreringstekniker, och i tvärflödesfiltrering återställde användningen av dessa bubblor det keramiska membranflödet till 80 % efter backspolning.Bubblorna förs vanligtvis in i matningsströmmen eller används under backspolningscykler, där de hjälper till att skura membranytan och stör kakskiktet av organiska föroreningar innan det konsolideras.
2. Enhanced Chemical-in-Place-rengöring (CIP) med ozon
Den kanske mest undersökta applikationen är att kombinera ozon med generering av nanobubblor för CIP-rening av keramiska membran som är nedsmutsade av lösta och makromolekylära organiska ämnen.Ozon-mikro-nano-bubbleteknik kan effektivt lossa strukturen av nedsmutsningsskiktet på membranytan, vilket minskar vidhäftningen av föroreningar, och de hydroxylradikaler som produceras genom katalys av aluminiumoxiden i det keramiska membranet kan uppnå djuprengöring av det förorenade membranet.Nanobubblorna tillhandahåller den skjuvkraft som krävs för att fysiskt lossa nedsmutsningsskiktet, samtidigt som de uppnår mycket högre ozonmassöverföringseffektivitet än konventionell bubbeldiffusion - vilket innebär att mindre ozongas slösas bort och mer av den faktiskt reagerar med nedsmutsningen.
En relaterad studie byggdett nytt ozon-nobubblegeneratorsystem för att rengöra ett nedsmutsat keramiskt membran som vanligtvis används i färgämnesindustrin, och fann att membranets ytegenskaper förändrades avsevärt, med minskad ytjämnhet och nedsmutsningsackumulering, vilket bekräftats av atomkraftsmikroskopi, svepelektronmikroskopi, röntgen-spektroskopi och energispektroskopi.Fourier-transform infraröd (FTIR) spektroskopi av det kvarvarande föroreningsmedlet visade karakteristiska organiska signaturer - väte-bundna grupper och omättade kol-kolbindningar - i överensstämmelse med ozonnanobubblorna som bryter ner komplexa organiska föroreningar som lösgör dem i stället för att bara lossna.
3. Luft-/syrenanobubblor som ett lägre-kostnadsalternativ
Inte varje applikation kräver ozon.Ghadimkhani et al. demonstrerade framgångsrik täppning av keramiska membranporer med hjälp av luftnanobubblor i både pilot-- och bänk--skalaundersökningar, vilket återställde permeatflödet till dess ursprungliga värden.I ett experiment,humussyra täppte till helt ett keramiskt membran inom 6 timmar, vilket minskade flödet nästan till noll, men när det nedsmutsade membranet matades med nanobubblavatten återställdes det initiala flödet inom 2 timmar - en effekt som tillskrivs nedbrytningen av organiskt material av fria radikaler som genereras när luftens nanobubblor kollapsade.Detta tyder på att även utan en stark oxidant som ozon kan den fysiska kollapsen av nanobubblor generera tillräckligt med lokala reaktiva arter för att hjälpa till att bryta ned adsorberade organiska ämnen.
Luftnanobubblor är attraktiva eftersom de undviker kapital- och säkerhetskostnaderna för-ozongenerering på plats, vilket gör dem till ett mer tillgängligt alternativ för mindre reningsverk eller industrier som mejeriförädling, där nanobubblor också har visat sig förbättra flödet och minska filtreringstiden.
4. Förbehandling för nedströms membranprocesser
Keramiska membran används också som ett förbehandlingssteg före tätare membran som nanofiltrering (NF) och tillvägagångssätt med nanobubbla/ozon-kan förbättra hur väl den förbehandlingen fungerar. I en studie av dricksvatten-vatten-växtproduktionsavloppsvatten,en hybrid keramisk membran-nanofiltreringsprocess uppnådde en genomsnittlig borttagningshastighet på 95,60 % för löst organiskt kol, 98,55 % för UV254 (en proxy för innehåll av aromatiska organiska ämnen), 34,50 % för konduktivitet och 50,71 % för kalcium - förbättringar på 4,70 %, 14,70 % och 4,70 %. 10,36 % respektive över fristående nanofiltrering. Den keramiska membranförbehandlingen minskade också irreversibel nedsmutsning av nedströms NF-membranet över en rad föroreningskoncentrationer, och svepelektronmikroskopi bekräftade att denna förbehandling lindrade nedsmutsning på NF-membranytan.
Separat har ozon-baserad ytspolning undersökts som ett sätt att minska behovet av konventionell mikrofiltrering/ultrafiltreringsförbehandling framför keramiska nanofiltreringsmembran. Konventionell förbehandling med multi-mediafiltrering, mikrofiltrering eller ultrafiltrering före nanofiltrering tillför betydande kapitalkostnader, fysiskt fotavtryck och systemkomplexitet, så att ersätta filtrerings-baserad förbehandling med en ozon-baserad process är ett tilltalande sätt att minska kostnader och fotavtryck, särskilt i stadsvattenåtervinningsmiljöer.
5. Direkt nedbrytning av organiska föroreningar
Utöver membranrengöring studeras mikro-nanobubbelsystem alltmer som en avancerad oxidations-intilliggande teknologi i sig.I en studie av avloppsvattenrening höjde kombinationen av en hydrodynamisk kavitationsgenerator med en ytterligare oxidationsprocess den totala effektiviteten för borttagning av organiskt kol till 40,01 % under 90 minuter, jämfört med endast 14,61 % med enbart kavitationsgeneratorn. Detta illustrerar att nanobubblor/kavitationssystem ofta fungerar bäst som en del av en hybridprocess snarare än som en fristående behandling.
Hur ett typiskt system fungerar
Ett kombinerat nanobubbla-keramiskt membransystem inkluderar vanligtvis:
- Gasförsörjning- omgivande luft, syre eller ozon som genereras på-platsen.
- Nanobubblegenerator- en venturi-, skjuv--pump eller trycksatt-upplösningsenhet som sprutar in gasen i vatten som nanobubblor.
- Kontakt/reaktionsstadium- nanobubble-berikat vatten matas antingen kontinuerligt in i membranmatningsströmmen eller används i periodiska backspolnings-/CIP-cykler.
- Keramisk membranmodul- vanligen aluminiumoxid, zirkoniumoxid eller titanoxid-baserade rörformade eller platta-plåtelement, som drivs i tvärflödes- eller återvändsläge-.
- Övervakning- flöde och transmembrantryck spåras för att avgöra när en nanobubbla-assisterad rengöringscykel behövs.
Fördelar med det kombinerade tillvägagångssättet
- Högre flödesåtervinningefter rengöring, ofta utan starka kemiska rengöringsmedel.
- Minskad kemikalieförbrukning- särskilt värdefullt där ozonnanobubblor ersätter eller minskar användningen av sura/frätande rengöringskemikalier.
- Bättre massöverföring av oxidanter, så det behövs mindre ozon eller luft för att uppnå samma rengöringseffekt.
- Förlängd membranlivslängdpå grund av skonsammare, mer enhetlig rengöring jämfört med aggressiv kemisk eller mekanisk rengöring.
- Möjlighet att krympa förbehandlingens fotavtrycknär den används före tätare membran som NF eller RO.
Begränsningar och öppna frågor
Trots lovande resultat noterar forskare några luckor:
Inverkan av bubblans storlek och koncentration på nedsmutsningskontrollen är ännu inte helt klarlagd, och optimala driftsparametrar kan vara system- och{1}}föroreningar.
Ozon nanobubblor kräver noggranna materialkompatibilitetskontroller, av{0}}gashantering och säkerhetskontroller med tanke på ozonets toxicitet.
De flesta publicerade resultat kommer från bänkstudier- eller pilotstudier i-skala; stor-, långsiktig-driftsdata är fortfarande begränsad.
Prestandan beror mycket på det organiska föroreningsmedlets natur (t.ex. humussyror vs. proteiner vs. syntetiska färgämnen), så resultaten generaliserar inte alltid över applikationer.
Slutsats
Kombinationen av nanobubblegeneratorer med keramiska membran representerar ett av de mer praktiska framstegen inom nedsmutsningskontroll för vatten- och avloppsvattenrening. Oavsett om den används för att förebygga nedsmutsning under filtrering, ozon-förbättrad CIP-rening eller som förbehandling före nanofiltrering, utnyttjar tekniken den unika fysiken hos nanobubblor - lång stabilitet, hög ytreaktivitet och effektiv gasöverföring - för att minska kemikalieanvändningen, återställa flödets livslängd och förlänga flödets livslängd. När de underliggande mekanismerna blir bättre karakteriserade, kommer denna kombination sannolikt att få en bredare användning inom dricksvattenrening, industriell avloppsvattenrening och vattenåteranvändning.