giriiş
Seramik membranlar, polimerik membranlara göre mekanik mukavemeti, kimyasal direnci, termal stabilitesi ve uzun servis ömrü sayesinde su ve atıksu arıtımında tercih edilen bir teknoloji haline gelmiştir. Ancak herhangi bir membran prosesi gibi, seramik membranlar da kalıcı bir problemden muzdariptir: özellikle hümik asitler, proteinler ve doğal organik madde (NOM) gibi çözünmüş ve makromoleküler organik maddelerden kaynaklanan kirlenme. Kirlenme, süzüntü akışını azaltır, enerji maliyetlerini artırır ve membran ömrünü kısaltır.
Son yıllarda ortaya çıkan en umut verici çözümlerden biri, seramik membranları nanokabarcık (ve mikro-nanokabarcık, MNB) jeneratörleriyle eşleştirmek. Bu kombinasyon hem filtreleme sırasında kirlenmeyi önlemek hem de zaten kirlenmiş olan membranları temizlemek - ve bazı konfigürasyonlarda besleme suyundaki organik kirleticileri aktif olarak ayrıştırmak için kullanılıyor.
Nanokabarcıklar Nedir?
Nanokabarcıklar, kabaca 100–200 nanometre ila birkaç mikrometre çapındaki gaz kabarcıklarıdır -, geleneksel havalandırmayla üretilen kabarcıklardan çok daha küçüktür. Boyutları nedeniyle sıradan baloncuklardan çok farklı davranırlar:
- Çabuk yükselip patlamazlar.Nanokabarcıklar neredeyse-nötr kaldırma kuvvetine sahiptir ve suda saniyeler yerine günlerce veya haftalarca asılı kalabilirler.
- Negatif yüzey yükü taşırlarBu da onların suda asılı duran organik kirletici maddeler ve parçacıklar üzerine adsorbe olmasına ve bunlarla etkileşime girmesine yardımcı olur.
- Çöktüklerinde lokal kesme kuvvetleri ve bazı durumlarda reaktif oksijen türleri (ROS) üretirler.organik moleküllerin parçalanmasına yardımcı olabilen hidroksil radikalleri (•OH) gibi.
- Gazdan-sıvıya-kütle aktarım verimliliğini önemli ölçüde artırırlarsöz konusu gazın ozon gibi güçlü bir oksitleyici olması durumunda bu çok önemlidir.
Nanokabarcık jeneratörleri genellikle bu kabarcıkları birkaç mekanizmadan birini kullanarak üretir: yüksek-kesmeli dönme/venturi cihazları, basınçlı çözünmüş-gaz salınımı (çözünmüş hava flotasyonuna benzer) veya ultrasonik kavitasyon. Kullanılan gaz, sade hava/oksijen veya daha agresif bir işlem için - - ozon olabilir.
Nano Kabarcıkları Neden Seramik Membranlarla Birleştirmelisiniz?
1. Filtrasyon Sırasında Kirlenmenin Önlenmesi
Mikro ve nanokabarcıklar, çeşitli filtrasyon tekniklerinde kirlenmeyi önlemede ve membran temizliğine yardımcı olmada dikkate değer bir etkinlik göstermiştir ve çapraz akışlı filtrasyonda, bu kabarcıkların kullanımı, geri yıkamadan sonra seramik membran akışını %80'e geri getirmiştir.Kabarcıklar tipik olarak besleme akışına verilir veya geri yıkama döngüleri sırasında kullanılır; burada membran yüzeyinin temizlenmesine ve katılaşmadan önce organik kirleticilerden oluşan kek tabakasının parçalanmasına yardımcı olurlar.
2. Ozonla Gelişmiş-Yerinde-Kimyasal (CIP) Temizleme
Belki de en çok araştırılan uygulama, çözünmüş ve makromoleküler organik maddeler tarafından kirlenen seramik membranların CIP temizliği için ozon ile nanokabarcık üretiminin birleştirilmesidir.Ozon mikro-nano-kabarcık teknolojisi, membran yüzeyindeki tıkayıcı tabakanın yapısını etkili bir şekilde gevşetebilir, kirleticilerin yapışmasını azaltabilir ve seramik membrandaki alümina tarafından kataliz yoluyla üretilen hidroksil radikalleri, kirlenmiş membranın derinlemesine temizlenmesini sağlayabilir.Nanokabarcıklar, kirletici katmanını fiziksel olarak yerinden çıkarmak için gereken kesme kuvvetini sağlarken aynı zamanda geleneksel kabarcık difüzyonundan çok daha yüksek ozon kütle transfer verimliliğine ulaşır -, daha az ozon gazının israf edildiği ve daha fazlasının aslında kirletici maddeyle reaksiyona girdiği anlamına gelir.
İlgili bir çalışma oluşturulduTipik olarak boya endüstrisinde kullanılan kirlenmiş bir seramik membranı temizlemek için yeni bir ozon-nanokabarcık jeneratör sistemi kullandı ve atomik kuvvet mikroskobu, taramalı elektron mikroskobu, X-ışını floresansı ve enerji-dağıtım spektroskopisi ile doğrulandığı üzere, zarın yüzey özelliklerinin önemli ölçüde değiştiğini, yüzey pürüzlülüğünün ve kirletici madde birikiminin azaldığını buldu.Artık kirletici maddenin Fourier-dönüşümü kızılötesi (FTIR) spektroskopisi, ozon nanokabarcıklarının karmaşık organik kirletici madde moleküllerini olduğu gibi yerinden çıkarmak yerine parçalaması ile tutarlı karakteristik organik imzalar - hidrojen-bağlı gruplar ve doymamış karbon-karbon bağları - gösterdi.
3. Daha Düşük-Maliyetli Bir Alternatif Olarak Hava/Oksijen Nanokabarcıkları
Her uygulama ozon gerektirmez.Ghadimkhani ve ark. hem pilot- hem de tezgah-ölçekli araştırmalarda hava nanokabarcıklarını kullanarak seramik membran gözeneklerinin başarılı bir şekilde açıldığını ve nüfuz akısını orijinal değerlerine geri döndürdüğünü gösterdi.Bir deneyde,hümik asit, seramik membranı 6 saat içinde tamamen tıkadı ve akı neredeyse sıfıra indirdi, ancak kirli membran nanokabarcıklı su ile beslendiğinde, ilk akış 2 saat içinde eski haline döndü -; bu etki, hava nanokabarcıkları çökerken oluşan serbest radikaller tarafından organik maddenin parçalanmasına atfedilir.Bu, ozon gibi güçlü bir oksidan olmadan bile, nanokabarcıkların fiziksel çöküşünün, adsorbe edilmiş organiklerin bozulmasına yardımcı olacak yeterli lokalize reaktif tür üretebileceğini göstermektedir.
Hava nanokabarcıkları caziptir çünkü yerinde ozon üretiminin sermaye ve güvenlik maliyetlerinden kaçınırlar, bu da onları daha küçük arıtma tesisleri veya nanokabarcıkların aynı zamanda akışı iyileştirdiği ve filtreleme süresini kısalttığı gösterilen süt ürünleri işleme gibi endüstriler için daha erişilebilir bir seçenek haline getirir.
4. Aşağı Membran Prosesleri için Ön Arıtma
Seramik membranlar aynı zamanda nanofiltrasyon (NF) gibi daha sıkı membranların ötesinde bir ön arıtma adımı olarak da kullanılıyor ve nanokabarcık/ozon-destekli yaklaşımlar bu ön arıtmanın ne kadar iyi çalıştığını iyileştirebilir. İçme-suyu-fabrika üretimi atıksuları üzerine yapılan bir çalışmada,Hibrit bir seramik membran-nanofiltrasyon işlemi, çözünmüş organik karbon için %95,60, UV254 (aromatik organik içerik için bir temsili) için %98,55, iletkenlik için %34,50 ve kalsiyum - için %50,71'lik ortalama giderim oranlarına ulaştı ve bağımsız nanofiltrasyona göre sırasıyla %4,70, %1,40, %16,37 ve %10,36 iyileşme sağladı. Seramik membran ön işlemi aynı zamanda çeşitli kirletici konsantrasyonlarında aşağı akış NF membranının geri döndürülemez kirlenmesini de azalttı ve taramalı elektron mikroskobu, bu ön işlemin NF membran yüzeyindeki kirlenmeyi hafiflettiğini doğruladı.
Ayrı olarak, ozon-bazlı yüzey temizleme, seramik nanofiltrasyon membranlarının öncesinde geleneksel mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyon ön işlemine olan ihtiyacı azaltmanın bir yolu olarak araştırılmıştır. Nanofiltrasyondan önce çoklu ortam filtreleme, mikro filtreleme veya ultra filtreleme kullanan geleneksel ön arıtma, önemli miktarda sermaye maliyeti, fiziksel ayak izi ve sistem karmaşıklığı ekler; bu nedenle, filtreleme-tabanlı ön arıtmayı ozon- bazlı bir işlemle değiştirmek, özellikle kentsel su geri dönüşüm ortamlarında maliyeti ve ayak izini azaltmanın çekici bir yoludur.
5. Doğrudan Organik Kirletici Bozunması
Membran temizlemenin ötesinde, mikro{0}nanokabarcık sistemleri, kendi başlarına gelişmiş bir oksidasyon-bitişik teknolojisi olarak giderek daha fazla incelenmektedir.Bir atık su arıtma çalışmasında, bir hidrodinamik kavitasyon jeneratörünün ek bir oksidasyon işlemiyle birleştirilmesi, toplam organik karbon giderim verimliliğini 90 dakika içinde %40,01'e çıkardı; bu oran yalnızca kavitasyon jeneratörünün kullanılmasıyla yalnızca %14,61'di. Bu, nanokabarcık/kavitasyon sistemlerinin genellikle bağımsız bir arıtma yerine hibrit bir prosesin parçası olarak en iyi performansı gösterdiğini göstermektedir.
Tipik Bir Sistem Nasıl Çalışır?
Kombine bir nanokabarcık-seramik membran sistemi genellikle şunları içerir:
- Gaz temini- sitede üretilen ortam havası, oksijen veya ozon-.
- Nanokabarcık jeneratörü- gazı suya nanokabarcıklar halinde enjekte eden bir venturi, kesme-pompa veya basınçlı-çözünme ünitesi.
- Temas/tepki aşaması- nanokabarcık-zenginleştirilmiş su ya sürekli olarak membran besleme akışına beslenir ya da periyodik geri yıkama/CIP döngülerinde kullanılır.
- Seramik membran modülü- genellikle alümina, zirkonya veya titanya-tabanlı boru şeklinde veya düz-tabaka elemanlar, çapraz akışlı veya çıkmaz modda çalıştırılır.
- İzlemeNano-kabarcık-destekli bir temizleme döngüsünün ne zaman gerekli olduğunu belirlemek için - akı ve zar ötesi basınç izlenir.
Kombine Yaklaşımın Avantajları
- Daha yüksek akı geri kazanımıtemizlikten sonra, çoğunlukla sert kimyasal temizlik maddeleri olmadan.
- Daha az kimyasal tüketimi- özellikle ozon nanokabarcıklarının asit/kostik temizleme kimyasallarının yerini aldığı veya kullanımını azalttığı durumlarda değerlidir.
- Oksidanların daha iyi kütle transferiBöylece aynı temizleme etkisini elde etmek için daha az ozon veya havaya ihtiyaç duyulur.
- Uzatılmış membran ömrüAgresif kimyasal veya mekanik temizlemeye kıyasla daha yumuşak, daha düzgün temizleme sayesinde.
- Ön arıtma ayak izini küçültme potansiyeliNF veya RO gibi daha sıkı membranların önünde kullanıldığında.
Sınırlamalar ve Açık Sorular
Umut verici sonuçlara rağmen araştırmacılar bazı boşluklara dikkat çekiyor:
Kabarcık boyutunun ve konsantrasyonun kirlenme kontrolü üzerindeki etkisi henüz tam olarak anlaşılmamıştır ve en uygun çalışma parametreleri sisteme- ve kirletici maddeye-özel olabilir.
Ozon nanokabarcık sistemleri, ozonun zehirliliği dikkate alındığında dikkatli malzeme uyumluluk kontrolleri, atık gaz yönetimi ve güvenlik kontrolleri gerektirir.
Yayınlanan sonuçların çoğu, karşılaştırmalı- veya pilot-ölçekli çalışmalardan gelmektedir; büyük-ölçekli, uzun-vadeli operasyonel veriler hâlâ sınırlıdır.
Performans büyük ölçüde organik kirleticinin doğasına bağlıdır (örneğin hümik asitler, proteinler ve sentetik boyalar), dolayısıyla sonuçlar her zaman uygulamalar arasında genellenemez.
Çözüm
Nanokabarcık jeneratörlerinin seramik membranlarla eşleştirilmesi, su ve atık su arıtımında kirlenme kontrolünde daha pratik ilerlemelerden birini temsil etmektedir. İster filtreleme sırasında kirlenmenin önlenmesi, ister ozon-geliştirilmiş CIP temizliği veya nanofiltrasyon öncesinde ön işlem olarak kullanılsın, teknoloji, kimyasal kullanımını azaltmak, akıyı geri kazandırmak ve membran hizmet ömrünü uzatmak için nanokabarcıkların benzersiz fiziğini - uzun stabilite, yüksek yüzey reaktivitesi ve verimli gaz aktarımından - yararlanır. Temel mekanizmalar daha iyi tanımlandıkça, bu kombinasyonun içme suyu arıtımı, endüstriyel atık su arıtımı ve suyun yeniden kullanımı uygulamalarında daha geniş çapta benimsenmesi muhtemeldir.