소개
세라믹 멤브레인은 고분자 멤브레인에 비해 기계적 강도, 내화학성, 열 안정성 및 긴 사용 수명으로 인해 수처리 및 폐수 처리에 선호되는 기술이 되었습니다. 그러나 다른 막 공정과 마찬가지로 세라믹 막은 특히 휴믹산, 단백질, 천연 유기물(NOM)과 같은 용해된 거대분자 유기물에 의한 오염이라는 지속적인 문제를 안고 있습니다. 오염은 투과 흐름을 감소시키고, 에너지 비용을 증가시키며, 멤브레인 수명을 단축시킵니다.
최근 몇 년 동안 등장한 가장 유망한 솔루션 중 하나는 세라믹 멤브레인을 나노버블(및 마이크로{0}}나노버블, MNB) 발생기와 결합하는 것입니다. 이 조합은 여과 중 오염을 방지하고 이미 오염된 막을 세척하는 데 사용되며 - 일부 구성에서는 급수 자체의 유기 오염물질을 적극적으로 분해합니다.
나노버블이란 무엇입니까?
나노버블은 기존 통기에 의해 생성된 기포보다 훨씬 작은 직경 -이 약 100~200나노미터에서 수 마이크로미터인 가스 기포입니다. 크기 때문에 일반 거품과 매우 다르게 동작합니다.
- 그들은 빨리 일어나서 터지지 않습니다.나노버블은 거의-중성 부력을 가지며 몇 초가 아닌 며칠 또는 몇 주 동안 물 속에 떠 있을 수 있습니다.
- 그들은 음의 표면 전하를 가지고 있습니다, 이는 물에 부유하는 유기 오염물질 및 입자에 흡착되어 상호 작용하는 데 도움이 됩니다.
- 붕괴되면 국부적인 전단력이 생성되고 경우에 따라 활성산소종(ROS)이 생성됩니다.유기 분자를 분해하는 데 도움이 될 수 있는 하이드록실 라디칼(•OH)과 같은 것입니다.
- 가스-에서-액체로의 물질 전달 효율을 극적으로 증가시킵니다.이는 관련된 가스가 오존과 같은 강한 산화제인 경우 매우 중요합니다.
나노버블 발생기는 일반적으로 고전단 회전/벤투리 장치, 가압된 용해된{1}}가스 방출(용해된 공기 부양과 유사) 또는 초음파 공동현상과 같은 몇 가지 메커니즘 중 하나를 사용하여 이러한 버블을 생성합니다. 사용되는 가스는 일반 공기/산소이거나 보다 적극적인 처리를 위한 - - 오존일 수 있습니다.
나노버블을 세라믹 멤브레인과 결합하는 이유는 무엇입니까?
1. 여과시 오염방지
마이크로 및 나노버블은 다양한 여과 기술에 걸쳐 오염을 방지하고 막 세척을 돕는 데 있어 놀라운 효능을 입증했으며 직교류 여과에서 이러한 기포를 사용하면 역세 후 세라믹 막 플럭스를 80%로 복원했습니다.기포는 일반적으로 공급 흐름에 도입되거나 역세 사이클 중에 사용됩니다. 여기서 기포는 막 표면을 닦고 유기 오염물의 케이크 층이 굳어지기 전에 파괴하는 데 도움이 됩니다.
2. 오존을 이용한 강화된 화학-현장(CIP) 세정
아마도 가장 많이 연구된 응용 분야는 용해된 고분자 유기물에 의해 오염된 세라믹 멤브레인의 CIP 세척을 위해 오존과 나노버블 생성을 결합하는 것입니다.오존 마이크로-나노-버블 기술은 멤브레인 표면의 오염물 층 구조를 효과적으로 느슨하게 하여 오염물의 부착을 감소시킬 수 있으며, 세라믹 멤브레인의 알루미나에 의한 촉매 작용을 통해 생성된 수산화 라디칼은 오염된 멤브레인을 심층적으로 세척할 수 있습니다.나노버블은 오염물 층을 물리적으로 제거하는 데 필요한 전단력을 제공하는 동시에 기존 버블 확산보다 훨씬 더 높은 오존 물질 전달 효율을 달성합니다. - 이는 오존 가스가 덜 낭비되고 실제로 더 많은 가스가 오염물과 반응한다는 것을 의미합니다.
관련 연구 구축염료 산업에서 일반적으로 사용되는 오염된 세라믹 멤브레인을 세척하기 위한 새로운 오존-나노버블 발생기 시스템을 개발했으며, 원자력 현미경, 주사 전자 현미경, X-선 형광 및 에너지-분광학을 통해 확인된 바와 같이 표면 거칠기 및 오염물 축적이 감소하면서 멤브레인의 표면 특성이 크게 변한다는 사실을 발견했습니다.잔류 오염물의 푸리에-형적외선(FTIR) 분광법은 오존 나노버블이 복잡한 유기 오염물 분자를 그대로 제거하는 것이 아니라 분해하는 것과 일치하는 특징적인 유기 특성 - 수소-결합 그룹 및 불포화 탄소-탄소 결합-을 보여주었습니다.
3. 더 저렴한-비용의 대안인 공기/산소 나노버블
모든 응용 분야에 오존이 필요한 것은 아닙니다.Ghadimkhaniet al. 파일럿- 및 벤치- 규모 조사 모두에서 공기 나노버블을 사용하여 세라믹 막 기공의 막힘을 성공적으로 해결하고 투과 플럭스를 원래 값으로 복원했음을 보여주었습니다.한 실험에서는,휴믹산은 6시간 이내에 세라믹 막을 완전히 막아 플럭스를 거의 0에 가깝게 감소시켰지만, 오염된 막에 나노버블수를 공급하면 2시간 이내에 초기 플럭스가 회복되었습니다.- 이는 공기 나노버블이 붕괴되면서 생성된 자유 라디칼에 의해 유기물이 분해되는 효과입니다.이는 오존과 같은 강력한 산화제가 없더라도 나노버블의 물리적 붕괴로 인해 흡착된 유기물을 분해하는 데 도움이 될 만큼 국부적인 반응종을 충분히 생성할 수 있음을 시사합니다.
공기 나노버블은 현장 오존 생성에 따른 자본 및 안전 비용을 피할 수 있기 때문에 매력적입니다. 따라서 소규모 처리 공장이나 유제품 가공과 같은 산업에서 더 쉽게 접근할 수 있는 옵션이 됩니다. 여기서 나노버블은 유량을 개선하고 여과 시간을 줄이는 것으로 나타났습니다.
4. 다운스트림 멤브레인 공정을 위한 전처리
세라믹 멤브레인은 나노여과(NF)와 같은 보다 엄격한 멤브레인보다 앞선 전처리 단계로도 사용되고 있으며, 나노버블/오존{0}}지원 접근 방식은 전처리 효과를 향상시킬 수 있습니다. 식수-물-공장 생산 폐수에 대한 한 연구에서,하이브리드 세라믹 멤브레인-나노여과 공정은 용존 유기 탄소의 평균 제거율 95.60%, UV254(방향족 유기 함량의 대용)의 경우 98.55%, 전도성의 경우 34.50%, 칼슘의 경우 50.71% 제거율을 달성했습니다. - 독립형 나노여과에 비해 각각 4.70%, 1.40%, 16.37%, 10.36% 개선되었습니다. 세라믹 막 전처리는 또한 다양한 오염 물질 농도에 걸쳐 하류 NF 막의 비가역적 오염을 감소시켰으며, 주사 전자 현미경을 통해 이 전처리가 NF 막 표면의 오염을 완화했음을 확인했습니다.
이와 별도로, 세라믹 나노여과막에 앞서 기존 정밀여과/한외여과 전처리의 필요성을 줄이는 방법으로 오존- 기반 표면 플러싱이 연구되었습니다. 나노여과 전 다중-매체 여과, 미세여과 또는 한외여과를 사용하는 기존 전처리는 상당한 자본 비용, 물리적 공간 및 시스템 복잡성을 추가하므로 여과- 기반 전처리를 오존- 기반 공정으로 대체하는 것은 특히 도시 물 재활용 환경에서 비용과 공간을 줄이는 매력적인 방법입니다.
5. 직접적인 유기 오염물질 분해
막 세척 외에도 마이크로{0}}나노버블 시스템은 그 자체로 고급 산화-부접 기술로서 점점 더 연구되고 있습니다.한 폐수 처리 연구에서 유체역학적 캐비테이션 발생기를 추가 산화 공정과 결합하면 총 유기 탄소 제거 효율이 90분 동안 40.01%로 향상되었습니다. 이는 캐비테이션 발생기만 사용할 경우 14.61%에 불과한 것과 비교됩니다. 이는 나노버블/공동화 시스템이 종종 독립 실행형 처리보다는 하이브리드 공정의 일부로 가장 잘 수행된다는 것을 보여줍니다.
일반적인 시스템의 작동 방식
결합된 나노버블-세라믹 멤브레인 시스템은 일반적으로 다음을 포함합니다.
- 가스 공급- 현장에서 생성된 주변 공기, 산소 또는 오존-.
- 나노버블 발생기- 가스를 나노버블 형태로 물에 주입하는 벤츄리, 전단-펌프 또는 가압{2}}용해 장치입니다.
- 접촉/반응 단계- 나노버블-농축수는 막 공급 흐름에 지속적으로 공급되거나 주기적인 역세/CIP 주기에 사용됩니다.
- 세라믹 멤브레인 모듈- 일반적으로 알루미나, 지르코니아 또는 티타니아-기반 관형 또는 평판-시트 요소이며 교차 흐름 또는 막다른{3}}모드에서 작동됩니다.
- 모니터링- 유량과 막횡단 압력을 추적하여 나노버블-지원 세척 주기가 필요한 시기를 결정합니다.
결합된 접근 방식의 장점
- 더 높은 플럭스 회수율청소 후 종종 강한 화학 세척제 없이 청소합니다.
- 화학물질 소비 감소- 오존 나노버블이 산성/부식성 세척 화학물질의 사용을 대체하거나 줄이는 경우 특히 유용합니다.
- 산화제의 더 나은 물질 전달, 동일한 청소 효과를 얻으려면 더 적은 양의 오존이나 공기가 필요합니다.
- 멤브레인 수명 연장공격적인 화학적 또는 기계적 세척에 비해 더 부드럽고 균일한 세척이 가능합니다.
- 전처리 공간 축소 가능성NF 또는 RO와 같은 더 단단한 멤브레인보다 먼저 사용되는 경우.
제한 사항 및 공개 질문
유망한 결과에도 불구하고 연구자들은 다음과 같은 몇 가지 차이점을 지적합니다.
오염 제어에 대한 기포 크기 및 농도의 영향은 아직 완전히 이해되지 않았으며 최적의 작동 매개변수는 시스템- 및 오염 물질-에 따라 다를 수 있습니다.
오존 나노버블 시스템에는 신중한 재료 호환성 검사, 오프{0}}가스 관리, 오존의 독성을 고려한 안전 제어가 필요합니다.
게시된 결과는 대부분 벤치- 또는 파일럿- 규모의 연구에서 나온 것입니다. 대규모-장기적-운영 데이터는 여전히 제한적입니다.
성능은 유기 오염물질의 특성(예: 휴믹산, 단백질, 합성 염료)에 크게 좌우되므로 결과가 항상 응용 분야 전체에 걸쳐 일반화되는 것은 아닙니다.
결론
나노버블 발생기와 세라믹 멤브레인의 결합은 물 및 폐수 처리에 대한 오염 제어에 있어 보다 실용적인 발전 중 하나를 나타냅니다. 여과 중 오염 방지, 오존- 강화 CIP 세척 또는 나노여과 전 전처리로 사용되는 이 기술은 나노버블의 고유한 물리학을 활용하여 - 긴 안정성, 높은 표면 반응성 및 효율적인 가스 전달-을 활용하여 화학 물질 사용을 줄이고 플럭스를 복원하며 멤브레인 서비스 수명을 연장합니다. 기본 메커니즘이 더 잘 특성화됨에 따라 이 조합은 식수 처리, 산업 폐수 처리 및 물 재사용 응용 분야 전반에 걸쳐 더 광범위하게 채택될 가능성이 높습니다.