pengenalan
Membran seramik telah menjadi teknologi pilihan untuk rawatan air dan air sisa berkat kekuatan mekanikal, rintangan kimia, kestabilan haba dan hayat perkhidmatan yang panjang berbanding dengan membran polimer. Tetapi seperti mana-mana proses membran, membran seramik mengalami masalah yang berterusan: kekotoran, terutamanya oleh bahan organik terlarut dan makromolekul seperti asid humik, protein, dan bahan organik semula jadi (NOM). Fouling mengurangkan fluks resapan, meningkatkan kos tenaga, dan memendekkan hayat membran.
Salah satu penyelesaian yang lebih menjanjikan untuk muncul dalam beberapa tahun kebelakangan ini ialah menggandingkan membran seramik dengan penjana nanobubble (dan mikro-nanobubble, MNB). Gabungan ini digunakan untuk mengelakkan kekotoran semasa penapisan dan untuk membersihkan membran yang telah dikotori - dan dalam beberapa konfigurasi, untuk secara aktif merendahkan bahan pencemar organik dalam air suapan itu sendiri.
Apakah Nanobubbles?
Buih nano ialah gelembung gas kira-kira 100–200 nanometer hingga beberapa mikrometer diameter - jauh lebih kecil daripada gelembung yang dihasilkan oleh pengudaraan konvensional. Kerana saiznya, mereka berkelakuan sangat berbeza daripada buih biasa:
- Mereka tidak bangkit dengan cepat dan meletus.Gelembung nano mempunyai daya apungan hampir-neutral dan boleh kekal terampai dalam air selama beberapa hari atau minggu berbanding beberapa saat.
- Mereka membawa cas permukaan negatif, yang membantu mereka menjerap dan berinteraksi dengan foulan organik dan zarah terampai dalam air.
- Apabila ia runtuh, ia menghasilkan daya ricih setempat dan, dalam beberapa kes, spesies oksigen reaktif (ROS)seperti radikal hidroksil (•OH), yang boleh membantu memecahkan molekul organik.
- Mereka meningkatkan secara mendadak-kepada{1}}kecekapan pemindahan jisim cecair, yang sangat penting apabila gas yang terlibat adalah pengoksida yang kuat seperti ozon.
Penjana gelembung nano biasanya menghasilkan gelembung ini menggunakan salah satu daripada beberapa mekanisme: tinggi-peranti putaran ricih/venturi, pelepasan gas terlarut-bertekanan (serupa dengan pengapungan udara terlarut) atau peronggaan ultrasonik. Gas yang digunakan boleh menjadi udara/oksigen biasa, atau - untuk rawatan yang lebih agresif - ozon.
Mengapa Gabungkan Buih Nano dengan Membran Seramik?
1. Pencegahan Fouling Semasa Penapisan
Buih mikro dan nano telah menunjukkan keberkesanan yang luar biasa dalam mencegah kekotoran dan membantu pembersihan membran merentas pelbagai teknik penapisan, dan dalam penapisan aliran silang, penggunaan buih ini memulihkan fluks membran seramik kepada 80% selepas mencuci belakang.Gelembung biasanya dimasukkan ke dalam aliran suapan atau digunakan semasa kitaran cucian belakang, di mana ia membantu menyelusuri permukaan membran dan mengganggu lapisan kek foulan organik sebelum ia menyatu.
2. Pembersihan Kimia Dipertingkat-di-Tempat (CIP) dengan Ozon
Mungkin aplikasi yang paling dikaji adalah menggabungkan ozon dengan penjanaan gelembung nano untuk pembersihan CIP membran seramik yang dicemari oleh organik terlarut dan makromolekul.Teknologi buih mikro-nano-ozon boleh melonggarkan struktur lapisan busuk pada permukaan membran dengan berkesan, mengurangkan lekatan bahan buangan, dan radikal hidroksil yang dihasilkan melalui pemangkinan oleh alumina dalam membran seramik boleh mencapai pembersihan mendalam membran yang tercemar.Gelembung nano memberikan daya ricih yang diperlukan untuk menanggalkan lapisan busuk secara fizikal, sambil pada masa yang sama mencapai kecekapan pemindahan jisim ozon yang lebih tinggi daripada resapan buih konvensional - bermakna kurang gas ozon dibazirkan dan lebih banyak daripadanya sebenarnya bertindak balas dengan bahan kumuh.
Kajian berkaitan dibinasistem penjana ozon-novel untuk membersihkan membran seramik kotor yang biasanya digunakan dalam industri pewarna, dan mendapati ciri permukaan membran berubah dengan ketara, dengan pengurangan kekasaran permukaan dan pengumpulan bahan kumuh seperti yang disahkan oleh mikroskopi daya atom, mikroskop elektron pengimbasan, pendarfluor sinar-X, dan spektroskopi pemancar tenaga-Spektroskopi Fourier-transformasi inframerah (FTIR) bagi sisa foulan menunjukkan ciri-ciri tandatangan organik - hidrogen-kumpulan terikat dan karbon tak tepu-ikatan karbon - konsisten dengan gelembung nano ozon yang memecah molekul organik yang kompleks dan bukannya mencabutnya secara utuh.
3. Buih Nano Udara/Oksigen sebagai Alternatif-Kos yang Lebih Rendah
Tidak setiap aplikasi memerlukan ozon.Ghadimkhani et al. menunjukkan kejayaan membuka sumbatan liang membran seramik menggunakan gelembung nano udara dalam kedua-dua penyiasatan skala rintis- dan bangku-, memulihkan fluks resapan kepada nilai asalnya.Dalam satu eksperimen,asid humik menyumbat sepenuhnya membran seramik dalam masa 6 jam, mengurangkan fluks hampir kepada sifar, tetapi apabila membran kotor disuap dengan air gelembung nano, fluks awal telah dipulihkan dalam masa 2 jam - kesan yang dikaitkan dengan pecahan bahan organik oleh radikal bebas yang dihasilkan apabila gelembung nano udara runtuh.Ini menunjukkan bahawa walaupun tanpa oksidan yang kuat seperti ozon, keruntuhan fizikal gelembung nano boleh menjana spesies reaktif setempat yang mencukupi untuk membantu merendahkan organik yang terserap.
Gelembung nano udara menarik kerana ia mengelakkan kos modal dan keselamatan bagi-penjanaan ozon di tapak, menjadikannya pilihan yang lebih mudah diakses untuk loji atau industri rawatan yang lebih kecil seperti pemprosesan tenusu, di mana gelembung nano juga telah ditunjukkan dapat meningkatkan fluks dan mengurangkan masa penapisan.
4. Prarawatan untuk Proses Membran Hilir
Membran seramik juga digunakan sebagai langkah prarawatan mendahului membran yang lebih ketat seperti penapisan nano (NF) dan pendekatan berbantukan gelembung nano/ozon-boleh memperbaik keberkesanan prarawatan itu. Dalam satu kajian tentang air minuman-air-air sisa pengeluaran tumbuhan,proses penapisan membran-nano seramik hibrid mencapai kadar penyingkiran purata 95.60% untuk karbon organik terlarut, 98.55% untuk UV254 (proksi untuk kandungan organik aromatik), 34.50% untuk kekonduksian dan 50.71% untuk kalsium - peningkatan sebanyak 4.70%, 1.60%, 1.60%, 1.60%, 1.60% masing-masing melalui penapisan nano kendiri. Prarawatan membran seramik juga mengurangkan kekotoran tak boleh balik pada membran NF hiliran merentasi julat kepekatan pencemar, dan pengimbasan mikroskop elektron mengesahkan bahawa prarawatan ini mengurangkan kekotoran pada permukaan membran NF.
Secara berasingan, pembilasan permukaan berasaskan ozon-telah diterokai sebagai satu cara untuk mengurangkan keperluan untuk prarawatan penurasan mikro/ultrafiltrasi konvensional mendahului membran penapisan nano seramik. Prarawatan konvensional menggunakan penapisan berbilang-media, penapisan mikro atau ultraturasan sebelum penapisan nano menambahkan kos modal yang ketara, jejak fizikal dan kerumitan sistem, jadi menggantikan-prarawatan berasaskan penapisan dengan proses berasaskan ozon-adalah cara yang menarik untuk mengurangkan kos dan jejak, terutamanya dalam tetapan kitar semula air bandar.
5. Degradasi Pencemaran Organik Langsung
Di sebalik pembersihan membran, sistem-nanobubble mikro semakin dikaji sebagai teknologi bersebelahan-pengoksidaan lanjutan dengan cara mereka sendiri.Dalam satu kajian rawatan air sisa, menggabungkan penjana peronggaan hidrodinamik dengan proses pengoksidaan tambahan meningkatkan kecekapan penyingkiran karbon organik keseluruhan kepada 40.01% dalam tempoh 90 minit, berbanding hanya 14.61% menggunakan penjana peronggaan sahaja. Ini menggambarkan bahawa sistem gelembung nano/peronggaan selalunya berprestasi terbaik sebagai sebahagian daripada proses hibrid dan bukannya sebagai rawatan kendiri.
Bagaimana Sistem Biasa Berfungsi
Sistem membran nanobubble-seramik gabungan secara amnya termasuk:
- Bekalan gas- udara ambien, oksigen atau ozon yang dihasilkan di-tapak.
- Penjana gelembung nano- unit venturi, ricih-atau{2}}pembubaran bertekanan yang menyuntik gas ke dalam air sebagai gelembung nano.
- Peringkat sentuhan/tindak balas- gelembung nano-air yang diperkaya sama ada dimasukkan secara berterusan ke dalam aliran suapan membran atau digunakan dalam kitaran cuci belakang/CIP berkala.
- Modul membran seramik- biasanya alumina, zirkonia atau titania-berasaskan unsur tiub atau rata-lembaran, dikendalikan dalam aliran silang atau mod mati-akhir.
- Pemantauan- tekanan fluks dan transmembran dijejaki untuk menentukan bila kitaran pembersihan berbantu{1}}nobubble diperlukan.
Kelebihan Pendekatan Gabungan
- Pemulihan fluks yang lebih tinggiselepas pembersihan, selalunya tanpa agen pembersih kimia yang keras.
- Mengurangkan penggunaan bahan kimia- amat berharga apabila buih nano ozon menggantikan atau mengurangkan penggunaan bahan kimia pembersih asid/kaustik.
- Pemindahan jisim oksida yang lebih baik, jadi kurang ozon atau udara diperlukan untuk mencapai kesan pembersihan yang sama.
- Jangka hayat membran yang dilanjutkandisebabkan pembersihan yang lebih lembut dan seragam berbanding dengan pembersihan kimia atau mekanikal yang agresif.
- Berpotensi untuk mengecilkan jejak prarawatanapabila digunakan lebih awal daripada membran yang lebih ketat seperti NF atau RO.
Had dan Soalan Terbuka
Walaupun hasil yang menjanjikan, para penyelidik mencatat beberapa jurang:
Pengaruh saiz buih dan kepekatan pada kawalan kekotoran masih belum difahami sepenuhnya dan parameter pengendalian optimum boleh menjadi sistem- dan pencemar-khusus.
Sistem gelembung nano ozon memerlukan pemeriksaan keserasian bahan yang teliti, mematikan-pengurusan gas dan kawalan keselamatan memandangkan ketoksikan ozon.
Kebanyakan hasil yang diterbitkan datang daripada kajian skala bangku- atau rintis-; data operasi-berskala besar,-panjang masih terhad.
Prestasi sangat bergantung pada sifat bahan pencemar organik (cth, asid humik lwn protein lwn pewarna sintetik), jadi keputusan tidak selalu digeneralisasikan merentas aplikasi.
Kesimpulan
Gandingan penjana gelembung nano dengan membran seramik mewakili salah satu kemajuan yang lebih praktikal dalam kawalan kekotoran untuk rawatan air dan air sisa. Sama ada digunakan untuk pencegahan kekotoran semasa penapisan, ozon-pembersihan CIP dipertingkatkan atau sebagai prarawatan sebelum penapisan nano, teknologi ini memanfaatkan fizik unik buih nano - kestabilan panjang, kereaktifan permukaan yang tinggi dan pemindahan gas yang cekap - untuk mengurangkan penggunaan kimia, memulihkan fluks dan memanjangkan hayat perkhidmatan membran. Memandangkan mekanisme asas menjadi lebih baik, gabungan ini berkemungkinan melihat penggunaan yang lebih meluas merentas rawatan air minuman, rawatan air sisa industri dan aplikasi penggunaan semula air.