Introdução
As membranas cerâmicas tornaram-se uma tecnologia preferida para tratamento de água e águas residuais graças à sua resistência mecânica, resistência química, estabilidade térmica e longa vida útil em comparação com as membranas poliméricas. Mas, como qualquer processo de membrana, as membranas cerâmicas sofrem de um problema persistente: incrustações, especialmente por matéria orgânica dissolvida e macromolecular, como ácidos húmicos, proteínas e matéria orgânica natural (MON). A incrustação reduz o fluxo de permeado, aumenta os custos de energia e reduz a vida útil da membrana.
Uma das soluções mais promissoras que surgiram nos últimos anos é o emparelhamento de membranas cerâmicas com geradores de nanobolhas (e micro-nanobolhas, MNB). Esta combinação está sendo usada tanto para evitar incrustações durante a filtração quanto para limpar membranas que já estão sujas - e, em algumas configurações, para degradar ativamente poluentes orgânicos na própria água de alimentação.
O que são nanobolhas?
Nanobolhas são bolhas de gás com aproximadamente 100-200 nanômetros a alguns micrômetros de diâmetro - muito menores do que as bolhas produzidas pela aeração convencional. Devido ao seu tamanho, elas se comportam de maneira muito diferente das bolhas comuns:
- Eles não sobem rapidamente e estouram.As nanobolhas têm flutuabilidade quase{0}}neutra e podem permanecer suspensas na água por dias ou semanas, em vez de segundos.
- Eles carregam uma carga superficial negativa, o que os ajuda a adsorver e interagir com incrustantes orgânicos e partículas suspensas na água.
- Quando entram em colapso, geram forças de cisalhamento localizadas e, em alguns casos, espécies reativas de oxigênio (ROS).como radicais hidroxila (•OH), que podem ajudar a quebrar moléculas orgânicas.
- Eles aumentam drasticamente a eficiência da transferência de massa-para{1}}líquido, o que é muito importante quando o gás envolvido é um oxidante forte como o ozônio.
Os geradores de nanobolhas normalmente produzem essas bolhas usando um dos poucos mecanismos: dispositivos rotacionais/venturi de alto-cisalhamento, liberação de gás pressurizado-dissolvido (semelhante à flotação de ar dissolvido) ou cavitação ultrassônica. O gás utilizado pode ser ar puro/oxigênio, ou - para tratamento mais agressivo - ozônio.
Por que combinar nanobolhas com membranas cerâmicas?
1. Prevenção de incrustações durante a filtração
Micro e nanobolhas demonstraram eficácia notável na prevenção de incrustações e no auxílio à limpeza da membrana em diversas técnicas de filtração e, na filtração de fluxo cruzado, o uso dessas bolhas restaurou o fluxo da membrana cerâmica para 80% após a retrolavagem.As bolhas são normalmente introduzidas na corrente de alimentação ou usadas durante ciclos de retrolavagem, onde ajudam a limpar a superfície da membrana e romper a camada de incrustações orgânicas antes que ela se consolide.
2. Limpeza química-in-no local (CIP) aprimorada com ozônio
Talvez a aplicação mais pesquisada seja a combinação de ozônio com geração de nanobolhas para limpeza CIP de membranas cerâmicas contaminadas por produtos orgânicos dissolvidos e macromoleculares.A tecnologia de micro-nano-bolhas de ozônio pode efetivamente afrouxar a estrutura da camada incrustante na superfície da membrana, reduzindo a adesão de incrustantes, e os radicais hidroxila produzidos por meio da catálise pela alumina na membrana cerâmica podem alcançar uma limpeza profunda da membrana contaminada.As nanobolhas fornecem a força de cisalhamento necessária para desalojar fisicamente a camada incrustante, ao mesmo tempo em que alcançam uma eficiência de transferência de massa de ozônio muito maior do que a difusão convencional de bolhas -, o que significa que menos gás ozônio é desperdiçado e mais dele realmente reage com o incrustante.
Um estudo relacionado construídoum novo sistema gerador de nanobolhas de ozônio-para limpar uma membrana cerâmica suja normalmente usada na indústria de corantes, e descobriu que as características da superfície da membrana mudaram significativamente, com rugosidade superficial reduzida e acúmulo de incrustações, conforme confirmado por microscopia de força atômica, microscopia eletrônica de varredura, fluorescência de-raios X e espectroscopia de energia-dispersiva.A espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) do incrustante residual mostrou assinaturas orgânicas características - grupos ligados por ligações de hidrogênio-e carbono insaturado-ligações de carbono - consistentes com as nanobolhas de ozônio quebrando moléculas orgânicas complexas de incrustantes em vez de simplesmente desalojá-las intactas.
3. Nanobolhas de ar/oxigênio como alternativa de-custo mais baixo
Nem todas as aplicações requerem ozônio.Ghadimkhani et al. demonstraram o desentupimento bem-sucedido de poros de membranas cerâmicas usando nanobolhas de ar em investigações em escala piloto- e de bancada-, restaurando o fluxo de permeado aos seus valores originais.Em um experimento,o ácido húmico obstruiu completamente uma membrana cerâmica em 6 horas, reduzindo o fluxo quase a zero, mas quando a membrana suja foi alimentada com água de nanobolhas, o fluxo inicial foi restaurado em 2 horas - um efeito atribuído à quebra da matéria orgânica por radicais livres gerados quando as nanobolhas de ar colapsaram.Isto sugere que mesmo sem um oxidante forte como o ozônio, o colapso físico das nanobolhas pode gerar espécies reativas localizadas suficientes para ajudar a degradar os orgânicos adsorvidos.
As nanobolhas de ar são atraentes porque evitam os custos de capital e de segurança da-geração de ozônio no local, tornando-as uma opção mais acessível para estações de tratamento menores ou indústrias como o processamento de laticínios, onde as nanobolhas também demonstraram melhorar o fluxo e reduzir o tempo de filtração.
4. Pré-tratamento para processos de membrana a jusante
As membranas cerâmicas também estão sendo usadas como uma etapa de pré-tratamento à frente de membranas mais rígidas, como nanofiltração (NF), e abordagens assistidas por nanobolhas/ozônio-podem melhorar o funcionamento do pré-tratamento. Em um estudo sobre-água potável-efluentes de produção de plantas,um processo híbrido de membrana cerâmica-nanofiltração alcançou taxas médias de remoção de 95,60% para carbono orgânico dissolvido, 98,55% para UV254 (um proxy para conteúdo orgânico aromático), 34,50% para condutividade e 50,71% para cálcio - melhorias de 4,70%, 1,40%, 16,37% e 10,36%, respectivamente, em relação à nanofiltração autônoma. O pré-tratamento da membrana cerâmica também reduziu a incrustação irreversível da membrana NF a jusante em uma faixa de concentrações de poluentes, e a microscopia eletrônica de varredura confirmou que esse pré-tratamento aliviou a incrustação na superfície da membrana NF.
Separadamente, a lavagem superficial-com base em ozônio foi explorada como uma forma de reduzir a necessidade de pré-tratamento convencional de microfiltração/ultrafiltração antes das membranas de nanofiltração cerâmicas. O pré-tratamento convencional usando filtração-multimídia, microfiltração ou ultrafiltração antes da nanofiltração adiciona custos de capital, pegada física e complexidade do sistema significativos, portanto, substituir o pré-tratamento baseado em filtração-por um processo baseado em ozônio-é uma maneira atraente de reduzir custos e pegada, especialmente em ambientes urbanos de reciclagem de água.
5. Degradação Direta de Poluentes Orgânicos
Além da limpeza de membranas, os sistemas de micro-nanobolhas são cada vez mais estudados como uma tecnologia avançada-adjacente à oxidação por si só.Em um estudo de tratamento de águas residuais, a combinação de um gerador de cavitação hidrodinâmica com um processo de oxidação adicional aumentou a eficiência total de remoção de carbono orgânico para 40,01% em 90 minutos, em comparação com apenas 14,61% usando o gerador de cavitação sozinho.
Como funciona um sistema típico
Um sistema combinado de membrana nanobolhas-cerâmica geralmente inclui:
- Fornecimento de gás- ar ambiente, oxigênio ou ozônio gerados no-local.
- Gerador de nanobolhas- uma bomba venturi, de cisalhamento-ou unidade de dissolução-pressurizada que injeta o gás na água como nanobolhas.
- Estágio de contato/reaçãoA água enriquecida com - nanobolhas-é alimentada continuamente no fluxo de alimentação da membrana ou usada em ciclos periódicos de retrolavagem/CIP.
- Módulo de membrana cerâmica- normalmente elementos de chapa-com base em alumina, zircônia ou titânia-tubulares ou planas, operados em modo de fluxo cruzado ou sem saída.{3}}.
- Monitoramento- fluxo e pressão transmembrana são rastreados para determinar quando um ciclo de limpeza-assistido por nanobolhas é necessário.
Vantagens da abordagem combinada
- Maior recuperação de fluxoapós a limpeza, muitas vezes sem agentes de limpeza químicos agressivos.
- Redução do consumo de produtos químicos- especialmente valioso onde as nanobolhas de ozônio substituem ou reduzem o uso de produtos químicos de limpeza ácidos/cáusticos.
- Melhor transferência de massa de oxidantes, portanto, é necessário menos ozônio ou ar para obter o mesmo efeito de limpeza.
- Vida útil prolongada da membranadevido à limpeza mais suave e uniforme em comparação com a limpeza química ou mecânica agressiva.
- Potencial para reduzir a pegada de pré-tratamentoquando usado antes de membranas mais apertadas como NF ou RO.
Limitações e questões abertas
Apesar dos resultados promissores, os pesquisadores observam algumas lacunas:
A influência do tamanho e da concentração da bolha no controle de incrustações ainda não é totalmente compreendida, e os parâmetros operacionais ideais podem ser específicos do sistema- e da incrustação-.
Os sistemas de nanobolhas de ozônio exigem verificações cuidadosas de compatibilidade de materiais, gerenciamento-de gases e controles de segurança, dada a toxicidade do ozônio.
A maioria dos resultados publicados vem de estudos em escala- ou piloto-; dados operacionais em grande-escala e longo-prazo ainda são limitados.
O desempenho depende muito da natureza do incrustante orgânico (por exemplo, ácidos húmicos versus proteínas versus corantes sintéticos), portanto os resultados nem sempre são generalizados entre as aplicações.
Conclusão
O emparelhamento de geradores de nanobolhas com membranas cerâmicas representa um dos avanços mais práticos no controle de incrustações para tratamento de água e águas residuais. Seja usada para prevenção de incrustações durante a filtração, limpeza CIP- aprimorada com ozônio ou como pré-tratamento antes da nanofiltração, a tecnologia aproveita a física exclusiva das nanobolhas - longa estabilidade, alta reatividade superficial e transferência eficiente de gás - para reduzir o uso de produtos químicos, restaurar o fluxo e estender a vida útil da membrana. À medida que os mecanismos subjacentes se tornam mais bem caracterizados, é provável que esta combinação seja mais amplamente adotada no tratamento de água potável, no tratamento de águas residuais industriais e nas aplicações de reutilização de água.