Введение
Керамические мембраны стали предпочтительной технологией для очистки воды и сточных вод благодаря своей механической прочности, химической стойкости, термической стабильности и длительному сроку службы по сравнению с полимерными мембранами. Но, как и любой мембранный процесс, керамические мембраны страдают от постоянной проблемы: загрязнения, особенно растворенными и макромолекулярными органическими веществами, такими как гуминовые кислоты, белки и природные органические вещества (НОМ). Загрязнение снижает поток пермеата, увеличивает затраты на электроэнергию и сокращает срок службы мембраны.
Одним из наиболее многообещающих решений, появившихся в последние годы, является объединение керамических мембран с генераторами нанопузырьков (и микро-нанопузырьков, MNB). Эта комбинация используется как для предотвращения загрязнения во время фильтрации, так и для очистки уже загрязненных мембран -, а в некоторых конфигурациях – для активного разложения органических загрязнителей в самой питательной воде.
Что такое нанопузыри?
Нанопузырьки — это пузырьки газа диаметром примерно от 100–200 нанометров до нескольких микрометров -, которые намного меньше, чем пузырьки, образующиеся при обычной аэрации. Из-за своего размера они ведут себя совсем не так, как обычные пузыри:
- Они не поднимаются быстро и не лопаются.Нанопузыри обладают почти-нейтральной плавучестью и могут оставаться во взвешенном состоянии в воде в течение нескольких дней или недель, а не секунд.
- Они несут отрицательный поверхностный заряд, что помогает им адсорбироваться и взаимодействовать с органическими загрязнениями и частицами, взвешенными в воде.
- Когда они разрушаются, они генерируют локализованные силы сдвига и, в некоторых случаях, активные формы кислорода (АФК).такие как гидроксильные радикалы (•OH), которые могут способствовать расщеплению органических молекул.
- Они значительно повышают эффективность массопереноса-в-газ., что имеет большое значение, когда используемый газ является сильным окислителем, таким как озон.
Генераторы нанопузырьков обычно производят эти пузырьки, используя один из нескольких механизмов: вращательные устройства с высоким-сдвиговым усилием/устройства Вентури, выпуск растворенного-газа под давлением (аналогично флотации растворенным воздухом) или ультразвуковую кавитацию. Используемым газом может быть обычный воздух/кислород или - для более агрессивной обработки - озон.
Зачем объединять нанопузырьки с керамическими мембранами?
1. Предотвращение загрязнения во время фильтрации
Микро- и нанопузырьки продемонстрировали замечательную эффективность в предотвращении загрязнения и облегчении очистки мембран при использовании различных методов фильтрации, а при перекрестной фильтрации использование этих пузырьков восстанавливало поток керамической мембраны до 80% после обратной промывки.Пузырьки обычно вводятся в поток сырья или используются во время циклов обратной промывки, где они помогают очистить поверхность мембраны и разрушить слой осадка от органических загрязнений до того, как он затвердеет.
2. Усовершенствованная химическая-очистка-на месте (CIP) с озоном.
Пожалуй, наиболее исследованным применением является сочетание озона с генерацией нанопузырьков для безразборной мойки керамических мембран, загрязненных растворенными и макромолекулярными органическими веществами.Технология озоновых микро-нано-пузырьков может эффективно ослабить структуру слоя загрязнений на поверхности мембраны, уменьшая прилипание загрязнений, а гидроксильные радикалы, образующиеся в результате катализа оксида алюминия в керамической мембране, могут обеспечить глубокую очистку загрязненной мембраны.Нанопузырьки обеспечивают силу сдвига, необходимую для физического удаления слоя загрязнения, одновременно обеспечивая гораздо более высокую эффективность массопереноса озона, чем при обычной пузырьковой диффузии -, что означает, что меньше озона тратится впустую и больше его фактически вступает в реакцию с загрязнителем.
Соответствующее исследование построеноновую систему генератора озона-нанопузырьков для очистки загрязненной керамической мембраны, обычно используемой в красочной промышленности, и обнаружил, что характеристики поверхности мембраны значительно изменились: уменьшилась шероховатость поверхности и уменьшилось накопление загрязнений, что подтверждено методами атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской-лучевой флуоресценции и энергодисперсионной-спектроскопии.Инфракрасная спектроскопия с Фурье-преобразованием (FTIR) остаточного загрязнения выявила характерные органические признаки - водородных-групп и ненасыщенных углеродных-углеродных связей -, что соответствует тому, что нанопузырьки озона разрушают сложные молекулы органического загрязнения, а не просто вытесняют их в целости и сохранности.
3. Воздушно-кислородные нанопузырьки как более дешевая альтернатива.
Не для каждого применения требуется озон.Гадимхани и др. продемонстрировали успешное очищение пор керамической мембраны с помощью воздушных нанопузырьков как в пилотных-, так и в стендовых-исследованиях, восстанавливая поток пермеата до исходных значений.В одном экспериментегуминовая кислота полностью забила керамическую мембрану в течение 6 часов, снизив поток почти до нуля, но когда в загрязненную мембрану подали воду с нанопузырьками, первоначальный поток восстанавливался в течение 2 часов -, эффект, приписываемый распаду органического вещества свободными радикалами, образующимися при коллапсе воздушных нанопузырьков.Это говорит о том, что даже без сильного окислителя, такого как озон, физический коллапс нанопузырьков может привести к образованию достаточного количества локализованных реактивных частиц, которые помогут разложить адсорбированную органику.
Воздушные нанопузырьки привлекательны, поскольку позволяют избежать капитальных затрат и затрат на безопасность, связанных с-генерацией озона на месте, что делает их более доступным вариантом для небольших очистных сооружений или таких отраслей, как переработка молочной продукции, где также было показано, что нанопузырьки улучшают поток и сокращают время фильтрации.
4. Предварительная обработка нижестоящих мембранных процессов
Керамические мембраны также используются в качестве этапа предварительной обработки перед более плотными мембранами, такими как нанофильтрация (NF), а подходы с использованием нанопузырьков и озона-могут улучшить эффективность предварительной обработки. В одном исследовании питьевой-воды-сточных вод заводского производствагибридный процесс керамической мембраны и нанофильтрации позволил достичь средней скорости удаления растворенного органического углерода 95,60%, UV254 98,55% (показатель содержания ароматических органических веществ), проводимости 34,50% и кальция - 50,71%; улучшения составили 4,70%, 1,40%, 16,37% и 10,36% соответственно по сравнению с отдельной нанофильтрацией. Предварительная обработка керамической мембраны также снизила необратимое загрязнение расположенной ниже по потоку мембраны NF в диапазоне концентраций загрязняющих веществ, а сканирующая электронная микроскопия подтвердила, что эта предварительная обработка облегчает загрязнение поверхности мембраны NF.
Отдельно изучалась промывка поверхности озоном- как способ снизить необходимость в традиционной предварительной обработке микрофильтрацией/ультрафильтрацией перед использованием керамических нанофильтрационных мембран. Обычная предварительная обработка с использованием мульти-фильтрации, микрофильтрации или ультрафильтрации перед нанофильтрацией увеличивает значительные капитальные затраты, физические затраты и сложность системы, поэтому замена предварительной обработки на основе фильтрации-процессом на основе озона- является привлекательным способом снижения затрат и вредного воздействия, особенно в городских установках по переработке воды.
5. Прямая деградация органических загрязнителей.
Помимо очистки мембран, микро-нанопузырьковые системы все чаще изучаются как передовая технология, связанная с окислением-сам по себе.В одном исследовании по очистке сточных вод сочетание гидродинамического генератора кавитации с дополнительным процессом окисления повысило общую эффективность удаления органического углерода до 40,01% за 90 минут по сравнению с всего лишь 14,61% при использовании одного генератора кавитации. Это показывает, что системы нанопузырьков/кавитации часто работают лучше всего как часть гибридного процесса, а не как отдельная очистка.
Как работает типичная система
Комбинированная система нанопузырьков и керамических мембран обычно включает в себя:
- Газоснабжение- окружающий воздух, кислород или озон, образующиеся на-объекте.
- Генератор нанопузырьков- Вентури, сдвиговый-насос или установка для растворения под давлением-, которая впрыскивает газ в воду в виде нанопузырьков.
- Стадия контакта/реакции- Вода, обогащенная нанопузырьками-, либо непрерывно подается в поток питания мембраны, либо используется в периодических циклах обратной промывки/CIP.
- Керамический мембранный модуль- обычно элементы из оксида алюминия, циркония или титана,-трубчатые или плоские-листовые элементы, работающие в перекрестном или тупиковом-режиме.
- Мониторинг- Поток и трансмембранное давление отслеживаются, чтобы определить, когда необходим цикл очистки с помощью нанопузырьков-.
Преимущества комбинированного подхода
- Более высокое восстановление потокапосле очистки, часто без агрессивных химических чистящих средств.
- Снижение потребления химикатов- особенно ценен там, где нанопузырьки озона заменяют или сокращают использование кислотных/едких чистящих химикатов.
- Улучшенный массоперенос окислителей, поэтому для достижения того же эффекта очистки требуется меньше озона или воздуха.
- Увеличенный срок службы мембраныблагодаря более мягкой и равномерной очистке по сравнению с агрессивной химической или механической очисткой.
- Потенциал для сокращения площади предварительной обработкипри использовании перед более плотными мембранами, такими как NF или RO.
Ограничения и открытые вопросы
Несмотря на многообещающие результаты, исследователи отмечают некоторые пробелы:
Влияние размера и концентрации пузырьков на контроль загрязнения еще не до конца изучено, и оптимальные рабочие параметры могут зависеть от системы- и загрязнителя-.
Системы озоновых нанопузырьков требуют тщательной проверки совместимости материалов, управления отходящими-газами и контроля безопасности, учитывая токсичность озона.
Большинство опубликованных результатов получены в результате стендовых- или пилотных-исследований; крупномасштабные-долгосрочные-оперативные данные по-прежнему ограничены.
Производительность во многом зависит от природы органического загрязнения (например, гуминовые кислоты, белки или синтетические красители), поэтому результаты не всегда распространяются на различные применения.
Заключение
Сочетание генераторов нанопузырьков с керамическими мембранами представляет собой одно из наиболее практических достижений в борьбе с загрязнением при очистке воды и сточных вод. Независимо от того, используется ли эта технология для предотвращения загрязнения во время фильтрации, безразборной мойки с озоном- или в качестве предварительной обработки перед нанофильтрацией, эта технология использует уникальную физику нанопузырьков -, длительную стабильность, высокую реакционную способность поверхности и эффективный газоперенос -, чтобы сократить использование химикатов, восстановить поток и продлить срок службы мембраны. По мере того, как основные механизмы будут лучше изучены, эта комбинация, вероятно, получит более широкое распространение в сфере очистки питьевой воды, очистки промышленных сточных вод и повторного использования воды.