Johdanto
Keraamisista kalvoista on tullut suosittu tekniikka veden ja jäteveden käsittelyssä niiden mekaanisen lujuuden, kemiallisen kestävyyden, lämpöstabiilisuuden ja pitkän käyttöiän ansiosta polymeerikalvoihin verrattuna. Mutta kuten kaikki kalvoprosessit, keraamiset kalvot kärsivät jatkuvasta ongelmasta: likaantumista, erityisesti liuenneen ja makromolekyylisen orgaanisen aineen, kuten humushappojen, proteiinien ja luonnollisen orgaanisen aineen (NOM), aiheuttamasta likaantumisesta. Likaantuminen vähentää permeaattivirtausta, nostaa energiakustannuksia ja lyhentää kalvon käyttöikää.
Yksi lupaavimmista ratkaisuista viime vuosina on keraamisten kalvojen yhdistäminen nanokupla- (ja mikro{0}}nanokupla-, MNB-) generaattoreihin. Tätä yhdistelmää käytetään sekä estämään likaantumista suodatuksen aikana että puhdistamaan jo likaantuneita kalvoja - ja joissakin kokoonpanoissa itse syöttöveden orgaanisten epäpuhtauksien aktiiviseksi hajottamiseksi.
Mitä nanokuplat ovat?
Nanokuplat ovat kaasukuplia, joiden halkaisija on noin 100–200 nanometriä muutamaan mikrometriin - paljon pienempiä kuin tavanomaisella ilmastuksella tuotetut kuplat. Kokonsa vuoksi ne käyttäytyvät hyvin eri tavalla kuin tavalliset kuplat:
- Ne eivät nouse nopeasti eivätkä poksahda.Nanokuplien kelluvuus on lähes -neutraali, ja ne voivat jäädä vedessä sekuntien sijasta päiviä tai viikkoja.
- Niissä on negatiivinen pintavaraus, joka auttaa niitä adsorboitumaan orgaanisiin likaaineisiin ja veteen suspendoituneisiin hiukkasiin ja olemaan vuorovaikutuksessa niiden kanssa.
- Kun ne romahtavat, ne synnyttävät paikallisia leikkausvoimia ja joissakin tapauksissa reaktiivisia happilajeja (ROS)kuten hydroksyyliradikaaleja (•OH), jotka voivat auttaa hajottamaan orgaanisia molekyylejä.
- Ne lisäävät dramaattisesti kaasun{0}}nesteestä{1}}massansiirtotehokkuutta, jolla on paljon merkitystä, kun mukana oleva kaasu on voimakas hapetin, kuten otsoni.
Nanokuplageneraattorit tuottavat näitä kuplia tyypillisesti käyttämällä jotakin muutamista mekanismeista: suuren{0}}leikkauksen pyörimis-/venturilaitteet, paineistettu liuenneen-kaasun vapautuminen (samanlainen kuin liuenneen ilman vaahdotus) tai ultraäänikavitaatio. Käytetty kaasu voi olla pelkkää ilmaa/happea tai - aggressiivisempaa käsittelyä varten - otsonia.
Miksi yhdistää nanokuplat keraamisiin kalvoihin?
1. Likaantumisen esto suodatuksen aikana
Mikro- ja nanokuplat ovat osoittaneet huomattavaa tehokkuutta likaantumisen estämisessä ja kalvon puhdistumisen edistämisessä erilaisissa suodatustekniikoissa, ja ristivirtaussuodatuksessa näiden kuplien käyttö palautti keraamisen kalvon virtauksen 80 %:iin vastahuuhtelun jälkeen.Kuplat syötetään tyypillisesti syöttövirtaan tai niitä käytetään vastahuuhtelujaksojen aikana, jolloin ne auttavat hankaamaan kalvon pintaa ja hajottavat orgaanisten likaantumisaineiden kakkukerroksen ennen kuin se tiivistyy.
2. Tehostettu kemiallinen-paikalla-puhdistus (CIP) otsonilla
Ehkä tutkituin sovellus on otsonin yhdistäminen nanokuplien muodostukseen liuenneiden ja makromolekyylisten orgaanisten aineiden likaantumien keraamisten kalvojen CIP-puhdistukseen.Otsonimikro-nano-kuplateknologia voi tehokkaasti löysätä likaantumisainekerroksen rakennetta kalvon pinnalla, mikä vähentää likaantumisaineiden tarttumista, ja keraamisessa kalvossa olevan alumiinioksidin katalyysin tuottamat hydroksyyliradikaalit voivat puhdistaa saastuneen kalvon syvästi.Nanokuplat tarjoavat leikkausvoiman, joka tarvitaan likakerroksen fyysiseen irrottamiseen, samalla kun ne saavuttavat paljon korkeamman otsonin massansiirtotehokkuuden kuin perinteinen kupladiffuusio -, mikä tarkoittaa, että otsonikaasua menee hukkaan ja enemmän siitä itse asiassa reagoi likaaineen kanssa.
Asiaan liittyvä tutkimus rakennettuuudenlainen otsoni-nanokuplageneraattorijärjestelmä likaantuneen keraamisen kalvon puhdistamiseen, jota tyypillisesti käytetään väriaineteollisuudessa, ja havaitsi, että kalvon pinnan ominaisuudet muuttuivat merkittävästi, mikä vähensi pinnan karheutta ja likaantumisen kertymistä, mikä vahvistettiin atomivoimamikroskopialla, pyyhkäisyelektronimikroskoopilla, röntgensäteilyn, {1}sädeenergian dispersiivisen fluoroskopian avulla.Fourier-transform infrapuna (FTIR) -spektroskopia jäljelle jääneestä likaaineesta osoitti luonteenomaisia orgaanisia allekirjoituksia - vety-sidoksesta ja tyydyttymättömästä hiili-hiilisidoksesta -, jotka ovat yhdenmukaisia otsonin nanokuplien kanssa, jotka hajottavat monimutkaisia orgaanisia lian molekyylejä sen sijaan, että ne hajottaisivat niitä.
3. Ilma-/happinanokuplat edullisempi-kustannusvaihtoehto
Kaikki sovellukset eivät vaadi otsonia.Ghadimkhani et ai. osoitti onnistuneen keraamisen kalvon huokosten tukkeutumisen poistamisen ilmananokuplien avulla sekä pilotti- että pöytämittakaavassa-, mikä palauttaa permeaattivirtauksen alkuperäisiin arvoihinsa.Yhdessä kokeessahumushappo tukkii keraamisen kalvon täysin kuudessa tunnissa, mikä vähensi virtauksen lähes nollaan, mutta kun likaantuneeseen kalvoon syötettiin nanokuplavettä, alkuperäinen virtaus palautui 2 tunnissa -, mikä johtui orgaanisen aineen hajoamisesta vapaiden radikaalien vaikutuksesta, jotka syntyvät ilman nanokuplien romahtaessa.Tämä viittaa siihen, että jopa ilman vahvaa hapetinta, kuten otsonia, nanokuplien fyysinen romahtaminen voi tuottaa tarpeeksi paikallisia reaktiivisia aineita, jotka auttavat hajottamaan adsorboituja orgaanisia aineita.
Ilman nanokuplat ovat houkuttelevia, koska ne välttävät pääoma- ja turvallisuuskustannukset, jotka aiheutuvat paikan päällä tapahtuvasta otsonin-tuotannosta, mikä tekee niistä helpomman vaihtoehdon pienille puhdistuslaitoksille tai teollisuudenaloille, kuten meijeriteollisuudelle, jossa nanokuplien on myös osoitettu parantavan virtausta ja lyhentävän suodatusaikaa.
4. Esikäsittely alavirran kalvoprosesseja varten
Keraamisia kalvoja käytetään myös esikäsittelyvaiheessa ennen tiukempia kalvoja, kuten nanosuodatusta (NF), ja nanokupla/otsoni{0}}avusteiset lähestymistavat voivat parantaa esikäsittelyn toimivuutta. Eräässä tutkimuksessa, joka koski juoma{2}}vettä-kasvintuotannon jätevettä,hybridi keraaminen kalvo-nanosuodatusprosessi saavutti keskimääräiset poistonopeudet 95,60 % liuenneelle orgaaniselle hiilelle, 98,55 % UV254:lle (aromaattisen orgaanisen sisällön vastine), 34,50 % johtavuudelle ja 50,71 % kalsiumin - parannuksille 4,70 %, 1,40 %, 6 % yli 7 % ja 6,0 % 16.0 %. nanosuodatus. Keraamisen kalvon esikäsittely vähensi myös alavirran NF-kalvon peruuttamatonta likaantumista useilla saastepitoisuuksilla, ja pyyhkäisyelektronimikroskooppi vahvisti, että tämä esikäsittely helpotti likaantumista NF-kalvon pinnalla.
Erikseen otsoni{0}}pohjaista pintahuuhtelua on tutkittu keinona vähentää tavanomaisen mikrosuodatuksen/ultrasuodatuksen esikäsittelyn tarvetta ennen keraamisia nanosuodatuskalvoja. Perinteinen esikäsittely, jossa käytetään multi-mediasuodatusta, mikrosuodatusta tai ultrasuodatusta ennen nanosuodatusta, lisää merkittäviä pääomakustannuksia, lisää fyysistä jalanjälkeä ja järjestelmän monimutkaisuutta, joten suodatus-pohjaisen esikäsittelyn korvaaminen otsoni-pohjaisella prosessilla on houkutteleva tapa vähentää kustannuksia ja jalanjälkeä erityisesti kaupunkien vedenkierrätysasetuksissa.
5. Suora orgaanisen epäpuhtauden hajoaminen
Kalvojen puhdistuksen lisäksi mikro-nanokuplajärjestelmiä tutkitaan yhä enemmän edistyneenä hapettumisen-läheisenä teknologiana sellaisenaan.Yhdessä jätevedenkäsittelytutkimuksessa hydrodynaamisen kavitaatiogeneraattorin yhdistäminen ylimääräiseen hapetusprosessiin nosti orgaanisen hiilen kokonaispoistotehokkuuden 40,01 prosenttiin 90 minuutin aikana, kun pelkkä kavitaatiogeneraattori vain 14,61 prosenttiin. Tämä osoittaa, että nanokupla-/kavitaatiojärjestelmät toimivat usein parhaiten osana hybridiprosessia eikä itsenäisenä käsittelynä.
Kuinka tyypillinen järjestelmä toimii
Yhdistetty nanokupla-keraaminen kalvojärjestelmä sisältää yleensä:
- Kaasun syöttö- ympäristön ilmaa, happea tai otsonia, joka syntyy-työmaalla.
- Nanokuplageneraattori- venturi, leikkaus-pumppu tai paineistettu-liuotusyksikkö, joka ruiskuttaa kaasun veteen nanokuplina.
- Kontakti/reaktiovaihe- nanokupla-rikastettua vettä joko syötetään jatkuvasti kalvon syöttövirtaan tai käytetään säännöllisissä vastahuuhtelu-/CIP-jaksoissa.
- Keraaminen kalvomoduuli- tyypillisesti alumiinioksidi-, zirkoniumoksidi- tai titaanioksidi-pohjaiset putkimaiset tai litteät{2}}levyelementit, joita käytetään poikkivirtaus- tai umpikujatilassa-.
- Valvonta- virtausta ja kalvon läpi kulkevaa painetta seurataan sen määrittämiseksi, milloin nanokupla{1}}avusteinen puhdistusjakso tarvitaan.
Yhdistetyn lähestymistavan edut
- Suurempi virtauksen talteenottopuhdistuksen jälkeen, usein ilman vahvoja kemiallisia puhdistusaineita.
- Vähentynyt kemikaalien kulutus- erityisen arvokas, jos otsonin nanokuplat korvaavat tai vähentävät happamien/emäksisten puhdistuskemikaalien käyttöä.
- Parempi hapettimien massansiirto, joten otsonia tai ilmaa tarvitaan vähemmän saman puhdistusvaikutuksen saavuttamiseksi.
- Pidentynyt kalvon käyttöikähellävaraisemman, tasaisemman puhdistuksen ansiosta kuin aggressiivinen kemiallinen tai mekaaninen puhdistus.
- Mahdollista pienentää esikäsittelyn jalanjälkeäkun sitä käytetään ennen tiukempia kalvoja, kuten NF tai RO.
Rajoitukset ja avoimet kysymykset
Lupaavista tuloksista huolimatta tutkijat huomaavat joitain aukkoja:
Kuplan koon ja pitoisuuden vaikutusta likaantumisen hallintaan ei vielä täysin ymmärretä, ja optimaaliset toimintaparametrit voivat olla järjestelmä--- ja likaantumis-kohtaisia.
Otsonin nanokuplajärjestelmät vaativat huolellisia materiaalien yhteensopivuustarkistuksia, poistokaasun hallintaa ja turvatoimia otsonin myrkyllisyyden vuoksi.
Useimmat julkaistut tulokset ovat koe{0}}- tai pilotti-mittakaavatutkimuksista. laajamittainen,-pitkän aikavälin toimintatiedot ovat edelleen rajallisia.
Suorituskyky riippuu suuresti orgaanisen likaaineen luonteesta (esim. humushapot vs. proteiinit vs. synteettiset väriaineet), joten tulokset eivät aina yleisty eri sovelluksissa.
Johtopäätös
Nanokuplageneraattoreiden ja keraamisten kalvojen yhdistäminen on yksi käytännön edistysaskeleista veden ja jäteveden käsittelyn likaantumisen hallinnassa. Käytetäänpä sitten likaantumisen estämiseen suodatuksen aikana, otsoni-tehostetussa CIP-puhdistuksessa tai nanosuodatusta edeltävänä esikäsittelynä, tekniikka hyödyntää nanokuplien ainutlaatuista fysiikkaa - pitkän stabiilisuuden, korkean pinnan reaktiivisuuden ja tehokkaan kaasunsiirron - avulla vähentääkseen kemikaalien käyttöä, palauttaakseen virtauksen ja pidentääkseen kalvon käyttöikää. Kun taustalla olevat mekanismit karakterisoidaan paremmin, tämä yhdistelmä tulee todennäköisesti näkemään laajemman käyttöönoton juomaveden käsittelyssä, teollisuuden jätevedenkäsittelyssä ja veden uudelleenkäyttösovelluksissa.