การแนะนำ
เมมเบรนเซรามิกกลายเป็นเทคโนโลยีที่ต้องการสำหรับการบำบัดน้ำและน้ำเสีย เนื่องจากมีความแข็งแรงเชิงกล ทนต่อสารเคมี ความคงตัวทางความร้อน และอายุการใช้งานยาวนานเมื่อเทียบกับเมมเบรนโพลีเมอร์ แต่เช่นเดียวกับกระบวนการเมมเบรนอื่นๆ เมมเบรนเซรามิกประสบปัญหาถาวร: การเปรอะเปื้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากอินทรียวัตถุที่ละลายและโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่น กรดฮิวมิก โปรตีน และอินทรียวัตถุธรรมชาติ (NOM) การเปรอะเปื้อนจะช่วยลดฟลักซ์ของเพอมิเอต เพิ่มต้นทุนด้านพลังงาน และทำให้อายุการใช้งานของเมมเบรนสั้นลง
วิธีแก้ปัญหาที่น่าหวังอย่างหนึ่งที่จะเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการจับคู่เมมเบรนเซรามิกกับเครื่องกำเนิดฟองนาโน (และไมโคร-นาโนบับเบิ้ล MNB) การรวมกันนี้ถูกนำมาใช้ทั้งเพื่อป้องกันการเปรอะเปื้อนระหว่างการกรอง และเพื่อทำความสะอาดเมมเบรนที่มีการเปรอะเปื้อนอยู่แล้ว - และในบางรูปแบบ เพื่อย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ในน้ำป้อนอย่างแข็งขัน
Nanobubbles คืออะไร?
ฟองนาโนเป็นฟองก๊าซที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100–200 นาโนเมตรถึงไม่กี่ไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าฟองอากาศที่เกิดจากการเติมอากาศแบบธรรมดามาก เนื่องจากขนาดของมัน พวกมันจึงมีพฤติกรรมแตกต่างไปจากฟองสบู่ธรรมดามาก:
- พวกมันไม่ลุกขึ้นเร็วและแตกฟองนาโนมีแรงลอยตัวใกล้เคียง-และสามารถลอยอยู่ในน้ำได้หลายวันหรือหลายสัปดาห์แทนที่จะเป็นวินาที
- พวกมันมีประจุพื้นผิวเป็นลบซึ่งช่วยให้พวกมันดูดซับและมีปฏิกิริยากับสารอินทรีย์และอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในน้ำ
- เมื่อพวกมันพังทลายลง พวกมันจะสร้างแรงเฉือนเฉพาะที่ และในบางกรณีก็เกิดปฏิกิริยาออกซิเจนชนิด (ROS)เช่นอนุมูลไฮดรอกซิล (•OH) ซึ่งสามารถช่วยสลายโมเลกุลอินทรีย์ได้
- พวกมันเพิ่มประสิทธิภาพ-ถึง-การถ่ายเทมวลของเหลวได้อย่างมากซึ่งสำคัญมากเมื่อก๊าซที่เกี่ยวข้องเป็นสารออกซิแดนท์อย่างแรงเช่นโอโซน
โดยทั่วไป เครื่องกำเนิดฟองนาโนจะผลิตฟองอากาศเหล่านี้โดยใช้กลไกอย่างใดอย่างหนึ่ง ได้แก่ อุปกรณ์หมุนเฉือน/เวนทูรีที่มีแรงเฉือนสูง- การปล่อยก๊าซที่ละลายด้วยแรงดัน- (คล้ายกับการลอยตัวของอากาศที่ละลาย) หรือการเกิดโพรงอากาศแบบอัลตราโซนิก ก๊าซที่ใช้อาจเป็นอากาศธรรมดา/ออกซิเจน หรือ - สำหรับการบำบัดที่รุนแรงยิ่งขึ้น - โอโซน
เหตุใดจึงต้องรวม Nanobubbles เข้ากับเมมเบรนเซรามิก
1. การป้องกันการเปรอะเปื้อนระหว่างการกรอง
ไมโครและฟองนาโนได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการป้องกันการเกิดคราบและช่วยทำความสะอาดเมมเบรนในเทคนิคการกรองที่หลากหลาย และในการกรองแบบไหลข้าม การใช้ฟองเหล่านี้ช่วยคืนฟลักซ์ของเมมเบรนเซรามิกเป็น 80% หลังจากการล้างย้อนโดยทั่วไปฟองอากาศจะถูกป้อนเข้าไปในกระแสป้อนหรือใช้ในระหว่างรอบการล้างย้อน ซึ่งจะช่วยกัดเซาะพื้นผิวเมมเบรนและทำลายชั้นเค้กของสารอินทรีย์อินทรีย์ก่อนที่จะรวมตัวกัน
2. การทำความสะอาดสารเคมีขั้นสูง-ใน-สถานที่ (CIP) ด้วยโอโซน
บางทีการประยุกต์ใช้ที่มีการวิจัยมากที่สุดคือการรวมโอโซนกับการสร้างฟองนาโนเพื่อทำความสะอาด CIP ของเมมเบรนเซรามิกที่เปรอะเปื้อนด้วยสารอินทรีย์ที่ละลายน้ำและโมเลกุลขนาดใหญ่เทคโนโลยีโอโซนไมโคร-นาโน-สามารถคลายโครงสร้างของชั้นคราบสกปรกบนพื้นผิวเมมเบรนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดการยึดเกาะของคราบสกปรก และอนุมูลไฮดรอกซิลที่ผลิตโดยการเร่งปฏิกิริยาโดยอลูมินาในเมมเบรนเซรามิกสามารถทำความสะอาดเมมเบรนที่ปนเปื้อนได้อย่างล้ำลึกฟองนาโนให้แรงเฉือนที่จำเป็นในการกำจัดชั้นสิ่งปนเปื้อนออกทางกายภาพ ขณะเดียวกันก็ให้ประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลโอโซนที่สูงกว่าการแพร่กระจายของฟองสบู่แบบทั่วไป - ซึ่งหมายความว่าก๊าซโอโซนจะสูญเปล่าน้อยลง และก๊าซโอโซนจะทำปฏิกิริยากับสิ่งปนเปื้อนได้มากขึ้น
การศึกษาที่เกี่ยวข้องสร้างขึ้นระบบเครื่องกำเนิดโอโซน-แบบใหม่สำหรับทำความสะอาดเมมเบรนเซรามิกที่สกปรกซึ่งโดยทั่วไปใช้ในอุตสาหกรรมสีย้อม และพบว่าลักษณะพื้นผิวของเมมเบรนมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยมีความหยาบของพื้นผิวลดลงและการสะสมของคราบสกปรกตามที่ยืนยันด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด รังสีเรืองแสงเอ็กซ์- และพลังงาน-สเปกโทรสโกปีแบบกระจายฟูเรียร์-สเปกโทรสโกปีการแปลงอินฟราเรด (FTIR) ของซากตกค้างแสดงให้เห็นลักษณะเฉพาะของสารอินทรีย์ - กลุ่มพันธะไฮโดรเจน- และพันธะคาร์บอนไม่อิ่มตัว- พันธะคาร์บอน - ซึ่งสอดคล้องกับฟองนาโนของโอโซนที่จะทำลายโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่ซับซ้อน แทนที่จะกำจัดพวกมันออกไปโดยสมบูรณ์
3. ฟองนาโนอากาศ/ออกซิเจนเป็นทางเลือกที่ถูกกว่า-
ไม่ใช่ทุกการใช้งานที่ต้องการโอโซนกาดิมคานี และคณะ แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการขจัดการอุดตันของรูพรุนของเมมเบรนเซรามิกโดยใช้ฟองอากาศนาโนในการตรวจสอบทั้งในระดับนักบิน- และแบบตั้งโต๊ะ- โดยการฟื้นฟูฟลักซ์ของเพอร์มิเอตให้เป็นค่าดั้งเดิมในการทดลองครั้งหนึ่งกรดฮิวมิกอุดตันเมมเบรนเซรามิกจนหมดภายใน 6 ชั่วโมง ทำให้ฟลักซ์ลดลงจนเกือบเป็นศูนย์ แต่เมื่อเมมเบรนที่เปรอะเปื้อนถูกป้อนด้วยน้ำฟองนาโน ฟลักซ์เริ่มต้นจะถูกฟื้นฟูภายใน 2 ชั่วโมง - ผลกระทบที่เกิดจากการสลายอินทรียวัตถุโดยอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นเมื่อฟองอากาศนาโนยุบตัวลงสิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าแม้จะไม่มีสารออกซิแดนท์ที่แรงเช่นโอโซน การล่มสลายทางกายภาพของฟองนาโนก็สามารถสร้างสายพันธุ์ปฏิกิริยาเฉพาะที่เพียงพอเพื่อช่วยลดปริมาณสารอินทรีย์ที่ถูกดูดซับ
ฟองอากาศนาโนมีความน่าสนใจเนื่องจากหลีกเลี่ยงต้นทุนและต้นทุนด้านความปลอดภัยของ-การสร้างโอโซนในไซต์งาน ทำให้เป็นตัวเลือกที่สามารถเข้าถึงได้มากขึ้นสำหรับโรงบำบัดหรืออุตสาหกรรมขนาดเล็ก เช่น การแปรรูปผลิตภัณฑ์จากนม ซึ่งแสดงให้เห็นว่าฟองนาโนช่วยปรับปรุงฟลักซ์และลดเวลาในการกรองด้วย
4. การปรับสภาพล่วงหน้าสำหรับกระบวนการเมมเบรนขั้นปลาย
นอกจากนี้ เมมเบรนเซรามิกยังถูกใช้เป็นขั้นตอนการบำบัดล่วงหน้าก่อนเมมเบรนที่มีความหนาแน่นมากขึ้น เช่น นาโนฟิลเตรชัน (NF) และวิธีการเสริมฟองนาโน/โอโซน-สามารถปรับปรุงวิธีการทำงานของการบำบัดล่วงหน้าได้ดียิ่งขึ้น ในการศึกษาเรื่อง-น้ำ-น้ำดื่มจากการผลิตพืชกระบวนการกรองเมมเบรนเซรามิกไฮบริดได้รับอัตราการกำจัดโดยเฉลี่ย 95.60% สำหรับคาร์บอนอินทรีย์ที่ละลายน้ำ, 98.55% สำหรับ UV254 (ตัวแทนสำหรับปริมาณอินทรีย์อะโรมาติก), 34.50% สำหรับการนำไฟฟ้า และ 50.71% สำหรับแคลเซียม - การปรับปรุง 4.70%, 1.40%, 16.37% และ 10.36% ตามลำดับ เหนือการกรองนาโนแบบสแตนด์อโลน การปรับสภาพเมมเบรนแบบเซรามิกยังช่วยลดการเปรอะเปื้อนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ของเมมเบรน NF ปลายทางตลอดช่วงความเข้มข้นของมลพิษ และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดยืนยันว่าการปรับสภาพล่วงหน้านี้ช่วยลดการเปรอะเปื้อนบนพื้นผิวเมมเบรน NF
นอกจากนี้ ยังมีการสำรวจการชะล้างพื้นผิวด้วยโอโซน-เพื่อเป็นแนวทางในการลดความจำเป็นในการบำบัดระดับไมโครฟิลเตรชัน/อัลตราฟิลเตรชันแบบเดิมก่อนเมมเบรนนาโนฟิลเตรชันแบบเซรามิก การบำบัดล่วงหน้าแบบเดิมโดยใช้-การกรองสื่อหลายแบบ การกรองแบบไมโครฟิลเตรชัน หรือการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันก่อนการกรองระดับนาโนจะเพิ่มต้นทุนด้านทุนที่สำคัญ รอยเท้าทางกายภาพ และความซับซ้อนของระบบ ดังนั้นการแทนที่-การบำบัดล่วงหน้าแบบอิงการกรองด้วยกระบวนการแบบโอโซน- ถือเป็นวิธีที่น่าสนใจในการลดต้นทุนและรอยเท้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตั้งค่าการรีไซเคิลน้ำในเมือง
5. การย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์โดยตรง
นอกเหนือจากการทำความสะอาดเมมเบรนแล้ว ระบบ-นาโนบับเบิ้ลขนาดเล็กยังได้รับการศึกษาเพิ่มมากขึ้นว่าเป็นเทคโนโลยีออกซิเดชันขั้นสูง-ที่อยู่ติดกันในตัวของมันเองในการศึกษาการบำบัดน้ำเสียครั้งหนึ่ง การรวมเครื่องกำเนิดคาวิเทชั่นแบบอุทกไดนามิกเข้ากับกระบวนการออกซิเดชั่นเพิ่มเติม เพิ่มประสิทธิภาพการกำจัดคาร์บอนอินทรีย์รวมเป็น 40.01% ในระยะเวลา 90 นาที เทียบกับเพียง 14.61% ที่ใช้เครื่องกำเนิดคาวิเทชั่นเพียงอย่างเดียว ซึ่งแสดงให้เห็นว่าระบบฟองนาโน/คาวิเทชั่นมักจะทำงานได้ดีที่สุดโดยเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการไฮบริดแทนที่จะเป็นการบำบัดแบบสแตนด์อโลน
ระบบทั่วไปทำงานอย่างไร
โดยทั่วไประบบเมมเบรนนาโนบับเบิ้ล–เซรามิกจะประกอบด้วย:
- การจ่ายก๊าซ- อากาศโดยรอบ ออกซิเจน หรือโอโซนที่สร้างขึ้นบน-ไซต์
- เครื่องกำเนิดฟองนาโน- หน่วยเวนทูรี แรงเฉือน-ปั๊ม หรือหน่วยละลายที่มีแรงดัน-ที่ฉีดก๊าซลงในน้ำเป็นฟองนาโน
- ระยะสัมผัส/ปฏิกิริยาน้ำที่มีความเข้มข้นสูง - ฟองนาโน-จะถูกป้อนอย่างต่อเนื่องเข้าสู่กระแสป้อนเมมเบรน หรือใช้ในรอบการล้างย้อน/CIP เป็นระยะๆ
- โมดูลเมมเบรนเซรามิก- โดยทั่วไปคืออลูมินา เซอร์โคเนีย หรือไททาเนีย-องค์ประกอบที่เป็นท่อหรือแบน- ดำเนินการในโหมดไหลข้ามหรือตาย-
- การตรวจสอบมีการติดตามความดันฟลักซ์และเมมเบรน - เพื่อพิจารณาว่าเมื่อใดจึงจำเป็นต้องมีวงจรการทำความสะอาดแบบใช้ฟองนาโน-
ข้อดีของแนวทางผสมผสาน
- การกู้คืนฟลักซ์ที่สูงขึ้นหลังจากทำความสะอาด มักไม่มีสารเคมีทำความสะอาดที่รุนแรง
- ลดการใช้สารเคมี- มีคุณค่าอย่างยิ่งเมื่อฟองนาโนโอโซนเข้ามาแทนที่หรือลดการใช้สารเคมีทำความสะอาดที่เป็นกรด/โซดาไฟ
- การถ่ายโอนมวลสารออกซิไดซ์ได้ดีขึ้นดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้โอโซนหรืออากาศน้อยลงเพื่อให้ได้ผลการทำความสะอาดแบบเดียวกัน
- ยืดอายุการใช้งานของเมมเบรนเนื่องจากการทำความสะอาดที่อ่อนโยนและสม่ำเสมอมากกว่าเมื่อเทียบกับการทำความสะอาดด้วยสารเคมีหรือเชิงกลที่รุนแรง
- ศักยภาพในการหดตัวของรอยเท้าการปรับสภาพเมื่อใช้ก่อนเมมเบรนที่แน่นกว่า เช่น NF หรือ RO
ข้อจำกัดและคำถามเปิด
แม้จะมีผลลัพธ์ที่น่าหวัง แต่นักวิจัยก็สังเกตเห็นช่องว่างบางประการ:
อิทธิพลของขนาดฟองและความเข้มข้นต่อการควบคุมการเปรอะเปื้อนยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ และพารามิเตอร์การทำงานที่เหมาะสมที่สุดอาจเป็นระบบ-และฟาวล์{1}}เฉพาะเจาะจงได้
ระบบฟองนาโนของโอโซนจำเป็นต้องมีการตรวจสอบความเข้ากันได้ของวัสดุอย่างระมัดระวัง การปิด-การจัดการก๊าซ และการควบคุมความปลอดภัยเนื่องจากความเป็นพิษของโอโซน
ผลลัพธ์ที่เผยแพร่ส่วนใหญ่มาจากการศึกษาแบบเปรียบเทียบ- หรือการศึกษานำร่อง- ข้อมูลการดำเนินงานระยะยาว-ขนาดใหญ่-ยังคงมีจำกัด
ประสิทธิภาพการทำงานขึ้นอยู่กับธรรมชาติของจุลินทรีย์อินทรีย์อย่างมาก (เช่น กรดฮิวมิก โปรตีน เทียบกับสีย้อมสังเคราะห์) ดังนั้นผลลัพธ์จึงไม่ได้ครอบคลุมการใช้งานทั่วไปเสมอไป
บทสรุป
การจับคู่เครื่องกำเนิดฟองนาโนกับเมมเบรนเซรามิกถือเป็นความก้าวหน้าในทางปฏิบัติอย่างหนึ่งในการควบคุมการเปรอะเปื้อนสำหรับน้ำและการบำบัดน้ำเสีย ไม่ว่าจะใช้สำหรับป้องกันการเปรอะเปื้อนในระหว่างการกรอง การทำความสะอาด CIP ที่ปรับปรุงด้วยโอโซน- หรือการบำบัดล่วงหน้าก่อนการกรองระดับนาโน เทคโนโลยีนี้ใช้ประโยชน์จากฟิสิกส์อันเป็นเอกลักษณ์ของฟองนาโน - ความเสถียรที่ยาวนาน ปฏิกิริยาที่พื้นผิวสูง และการถ่ายโอนก๊าซอย่างมีประสิทธิภาพ - เพื่อลดการใช้สารเคมี คืนสภาพฟลักซ์ และยืดอายุการใช้งานของเมมเบรน เมื่อกลไกพื้นฐานมีลักษณะเฉพาะที่ดีขึ้น การรวมกันนี้มีแนวโน้มที่จะเห็นการนำไปใช้ในวงกว้างมากขึ้นในการบำบัดน้ำดื่ม การบำบัดน้ำเสียทางอุตสาหกรรม และการนำน้ำกลับมาใช้ใหม่