Хорошо известен тот факт, что естественное органическое вещество (NOM) является одним из основных факторов загрязнения мембран низкого-давления, но может ли кто-нибудь действительно точно определить, какая конкретная фракция NOM ответственна? Судя по разнообразным выводам исследований, которые я видел, скорее всего, не существует универсального-универсального-подходящего-всего ответа.
Существует много способов охарактеризовать NOM, и обычно в исследованиях одновременно рассматриваются только одна или две из этих характеристик, чтобы определить, какая часть NOM ответственна за загрязнение мембраны.
НОМ Не НОМ…
Характеристики NOM могут значительно различаться от источника воды к источнику воды в зависимости от органического вещества в водосборе, геологических условий, климата и т. д. Наиболее распространенными переменными, используемыми для характеристики органического вещества, являются размер, структура и функциональность.
Эти переменные дополнительно определяются следующим образом:
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 мкм), растворенный (<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.
Структура: фракции NOM также можно описать с точки зрения гидрофобной (ароматической) или гидрофильной (алифатической) структуры, которая указывает, является ли NOM водоотталкивающим (гидрофобным) или водопоглощающим (гидрофильным).
Функциональность/Заряд: NOM также можно охарактеризовать содержанием функциональных групп (гуминовых и фульвокислот), которое влияет на (отрицательную) плотность заряда NOM.
Чтобы еще больше усложнить характеристику, молекулярная масса от гидрофобного до гидрофильного NOM может иметь размер от низкой до высокой, хотя, как правило, гидрофобные фракции NOM обычно имеют более высокую молекулярную массу.
В дополнение к характеристикам NOM, сами свойства мембраны низкого-давления также могут играть роль в том, приведет ли NOM к загрязнению или нет. Такие переменные, как размер пор мембраны, поверхностный заряд и шероховатость поверхности, могут влиять на то, происходит ли загрязнение NOM путем закупорки пор, адсорбции или образования гелевого слоя.
Так что же вызывает засорение??
Обладая всеми этими знаниями о NOM и мембранах, мы должны определить, какие характеристики приводят к загрязнению мембраны, верно? Было проведено множество исследований, от лабораторных до полномасштабных-, с целью изучения влияния различных фракций NOM на характеристики мембран. Вот очень краткое изложение результатов некоторых из них:
Хоу и Кларк (2006) пришли к выводу, что именно растворенная и коллоидная фракция NOM размером от 100 кДа до 1 мкм ответственна за большую часть потенциала загрязнения мембраны. Эта фракция NOM с более высоким молекулярным весом удаляется путем коагуляции и считается более гидрофобной и более кислой.
Ямамура и др. (2008) и Ли и др. (2004) определили, что гидрофильная фракция NOM вносит больший вклад в загрязнение мембран, чем гидрофобные гуминовые вещества. Ли и др. также пришли к выводу, что макромолекулы гидрофильного характера (например, полисахариды) и/или коллоидные органические вещества в гидрофильной фракции NOM могут загрязнять мембраны низкого-давления. Интересно отметить, что в методе, использованном Ли для выделения полярных фракций NOM, органические коллоиды также попадают в гидрофильную фракцию. Возможно, именно поэтому делаются некоторые обобщения о том, что гидрофильный NOM ответственен за загрязнение мембраны при использовании этого метода изоляции, тогда как на самом деле за загрязнение может быть ответственен коллоидный материал.
Большее снижение потока было замечено Lee et al. во время микрофильтрации (MF) по сравнению с ультрафильтрацией (UF), где засорение MF было вызвано закупоркой пор более крупными макромолекулами и органическими коллоидами, в то время как для UF (который имеет более мелкие поры) снижение потока было вызвано образованием слоя геля, который легче обратить вспять, чем закупорка пор. Интересно, что гидрофобные/гидрофильные свойства мембран оказывают минимальное влияние на загрязнение мембран.
Доказательство находится в пилотном проекте….
Почему существует так много разных выводов относительно того, какие фракции NOM ответственны за загрязнение мембраны? Это потому, что засорение мембраны происходит из-за комбинации NOM и характеристик мембраны, которые не рассматривались одновременно, или есть еще одна характеристика, которая еще не идентифицирована?
Вывод состоит в том, что все критические переменные были идентифицированы, но никто еще (по крайней мере, насколько мне удалось выяснить) не рассмотрел их все в одном исследовании. Работа, проведенная Lee et al. подходит ближе всего. Различные фракции НОМ по-разному влияют на мембраны с разными свойствами. Это создает довольно сложную исследовательскую матрицу. Если вы рассматриваете мембранную очистку для конкретного источника воды, вам, по крайней мере, нужно оценить только один набор переменных NOM.
К сожалению, мы еще не на том этапе, когда мы можем адекватно определить NOM в источнике воды, чтобы иметь возможность предсказать потенциал загрязнения для конкретного типа мембраны. Это будет определяться только методом проб и ошибок на постоянно действующей пилотной установке. Было бы ошибкой стремиться к полному удалению NOM в качестве цели очистки при выборе процесса предварительной обработки, не принимая во внимание также характеристики загрязнения конкретного NOM в питательной воде мембраны.
Ссылки
1. Хоу, К.; Кларк, М; «Влияние предварительной обработки коагуляции на характеристики мембраны», журнал AWWA, апрель 2006 г.
2. Ямамура, Х; Кимура, К; Окадзима, Т; Токумото, Х; Ватанабэ, Ю; «Сродство функциональных групп к мембранным поверхностям: последствия физически необратимого загрязнения», Environmental Science & Technology, Vol. 42, No. 14, 2008.
3. Ли, Н.; Эми, Дж; Кроу, Дж; Бюиссон, Х; «Идентификация и понимание загрязнения при мембранной фильтрации низкого- давления (MF/UF) естественным органическим веществом (NOM)», Water Research 38 (2004), 4511-4523.
