Οι μεμβράνες υπερδιήθησης (UF), με την εξαιρετική ακρίβεια διαχωρισμού τους (0,001–0,1 μm), εφαρμόζονται ευρέως στην παραγωγή πόσιμου νερού και στην επεξεργασία λυμάτων. Ωστόσο, η φυσική οργανική ύλη (NOM), οι πρωτεΐνες, οι πολυσακχαρίτες και άλλα μακρομόρια τείνουν να συσσωρεύονται στην επιφάνεια της μεμβράνης και εντός των πόρων της, οδηγώντας σε μείωση της ροής και αυξημένη διαμεμβρανική πίεση (TMP). Αυτό το φαινόμενο ρύπανσης παραμένει ένα κρίσιμο σημείο συμφόρησης που περιορίζει τη βιώσιμη λειτουργία της τεχνολογίας UF. Οι συμβατικές στρατηγικές όπως η αντίστροφη πλύση, ο χημικός καθαρισμός και η προεπεξεργασία μπορούν να μετριάσουν τη ρύπανση βραχυπρόθεσμα, αλλά ο συχνός καθαρισμός, η μειωμένη διάρκεια ζωής της μεμβράνης και η υψηλότερη λειτουργική κατανάλωση ενέργειας είναι συχνά αναπόφευκτες. Ως αποτέλεσμα, η διερεύνηση νέων μεθόδων φυσικής ενίσχυσης για την ανακούφιση της ρύπανσης της UF έχει γίνει ένα hotspot έρευνας τόσο στον ακαδημαϊκό χώρο όσο και στη βιομηχανία.
Η εφαρμογή μικροφυσαλίδων αέρα (MBs) προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη νέα οδό για την αναστολή της ρύπανσης στις μεμβράνες UF. Με διαμέτρους συνήθως στην περιοχή μικρομέτρων, τα MB μπορούν να διασκορπίζονται ομοιόμορφα στο νερό, δημιουργώντας αναταράξεις και επιφανειακά φαινόμενα που παρέχουν μοναδικά πλεονεκτήματα στις διεργασίες μεμβράνης. Μελέτες έχουν δείξει ότι η εισαγωγή MB στο νερό τροφοδοσίας UF μπορεί να μειώσει σημαντικά τη συσσώρευση και την εναπόθεση ρύπων στην επιφάνεια της μεμβράνης, βελτιώνοντας έτσι τη λειτουργική σταθερότητα.
Πρώτον, τα MB ασκούν μια επίδραση αναστολής ρύπανσης μέσωμηχανισμούς διασποράς και απομόνωσης. Μόλις εισαχθούν στο σύστημα UF, τα MB λειτουργούν ως μικροσκοπικοί «διαχωριστές», διασκορπίζοντας τα ρυπαντικά και αποδυναμώνοντας τις αλληλεπιδράσεις τους. Η φυσική οργανική ύλη που διαφορετικά θα συγκεντρωνόταν σε συστάδες κατανέμεται πιο ομοιόμορφα υπό την επίδραση των MB. Αυτή η διασπορά όχι μόνο μειώνει την πιθανότητα εναπόθεσης ρύπων στην επιφάνεια της μεμβράνης αλλά μειώνει επίσης τη συμπαγή στρώση του κέικ, καθιστώντας την πιο πορώδες και χαλαρό, διευκολύνοντας έτσι τη διείσδυση του νερού. Πειράματα έχουν δείξει ότι η παρουσία MBs μπορεί να μειώσει σημαντικά το φαινομενικό ιξώδες του τροφοδοτικού νερού, το οποίο είναι ένας βασικός παράγοντας για την ενίσχυση της απόδοσης ροής.
Δεύτερον, τα MB μπορούντροποποιούν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ οργανικών και της επιφάνειας της μεμβράνης. Το χουμικό οξύ (HA), ένα κύριο συστατικό της οργανικής ρύπανσης στις μεμβράνες UF, επηρεάζεται ιδιαίτερα. Τα MB προσκολλώνται στα σωματίδια HA στο διάλυμα, αλλάζοντας την κατανομή ζ-δυνητικού τους και μειώνοντας την τάση των φορτισμένων σωματιδίων να συσσωματώνονται. Αυτό σημαίνει ότι τα MB αποτρέπουν αποτελεσματικά το σχηματισμό πυκνών οργανικών στρωμάτων στην επιφάνεια της μεμβράνης. Μελέτες δείχνουν ότι σε πειράματα UF με HA-που περιέχει νερό τροφοδοσίας, η εισαγωγή MB αύξησε σημαντικά την κανονικοποιημένη ροή τόσο σε κατάσταση φιλτραρίσματος αδιέξοδης-και εγκάρσιας{7}}ροής, με μέγιστες βελτιώσεις που φτάνουν έως και το 139%. Αυτό υπογραμμίζει τον κρίσιμο ρόλο των MB στον έλεγχο της οργανικής ρύπανσης.
Τρίτον, τα MB επηρεάζουν θετικάTMP και σταθερότητα ροής. Κάτω από τη συμβατική λειτουργία UF, η ροή μειώνεται σταθερά ενώ το TMP αυξάνεται με παρατεταμένη χρήση. Με τα MB, ωστόσο, η πιο χαλαρή δομή του στρώματος ρύπανσης και η εξασθενημένη πρόσφυση επιβραδύνουν την πτώση ροής και καταστέλλουν τις αυξήσεις TMP. Αυτό το αποτέλεσμα επεκτείνει τον αποτελεσματικό χρόνο λειτουργίας της μεμβράνης και μειώνει την ανάγκη για συχνό καθαρισμό και χρόνο διακοπής λειτουργίας.
Επιπλέον, τα ΜΒ προσφέρουνεξοικονόμηση ενέργειας-και περιβαλλοντικά οφέλη. Μειώνοντας τη ρύπανση, τα MB μειώνουν τη συχνότητα της οπισθόπλυσης και του χημικού καθαρισμού, εξοικονομώντας έτσι μεγάλες ποσότητες νερού και χημικών ουσιών και μειώνοντας τόσο το κόστος όσο και τις περιβαλλοντικές επιβαρύνσεις. Επιπλέον, η μειωμένη εξάρτηση από σκληρούς καθαριστικούς παράγοντες ελαχιστοποιεί τη χημική βλάβη στο υλικό της μεμβράνης, συμβάλλοντας στην παράταση της διάρκειας ζωής της μεμβράνης και στη περαιτέρω μείωση-των μακροπρόθεσμων εξόδων αντικατάστασης.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η αποτελεσματικότητα των MBs στην αναστολή ρύπανσης επηρεάζεται από διάφορες λειτουργικές παραμέτρους. Για παράδειγμα, το pH του νερού τροφοδοσίας επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των MB. Μελέτες έχουν δείξει ότι όταν το pH είναι κοντά στο ουδέτερο (γύρω στο 6), τα MB εμφανίζουν την ισχυρότερη αναστολή έναντι της ρύπανσης HA. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια HA εμφανίζουν κατανομές φορτίου πιο ευνοϊκές για την προσρόφηση και τη διασπορά MB υπό αυτές τις συνθήκες. Άλλοι παράγοντες όπως η συγκέντρωση MB, το μέγεθος των φυσαλίδων, η θερμοκρασία του νερού τροφοδοσίας και η πίεση παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο. Γενικά, η χαμηλότερη θερμοκρασία και πίεση, η μέτρια συγκέντρωση MB και οι υψηλότεροι ρυθμοί ροής αέρα είναι ευεργετικές για τη μεγιστοποίηση της απόδοσης αναστολής ρύπανσης MB.
Κοιτάζοντας το μέλλον, τα MB έχουν σημαντικές δυνατότητες για έλεγχο ρύπανσης UF. Από τη μία πλευρά, ο συνδυασμός MB με διαδικτυακά συστήματα παρακολούθησης θα μπορούσε να επιτρέψει την προσαρμογή της δόσης MB σε πραγματικό χρόνο-με βάση τα σήματα ροής και TMP, επιτυγχάνοντας ακριβή και προσαρμοστική πρόληψη ρύπανσης. Από την άλλη πλευρά, τα MB θα μπορούσαν να ενσωματωθούν με προσροφητικά σωματίδια, φιλικά προς το περιβάλλον χημικά πρόσθετα ή υβριδικές στρατηγικές επεξεργασίας για να σχηματίσουν ένα σύστημα ελέγχου ρύπανσης πολλαπλών μηχανισμών "φυσικό + χημικό + υλικό", βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοση. Επιπλέον, μελλοντικές μελέτες θα πρέπει να ασχοληθούν με τη μακροπρόθεσμη-σταθερότητα των MB και τις πιθανές μικροσκοπικές επιδράσεις τους στα υλικά μεμβράνης για να διασφαλιστεί η ασφάλεια και η αξιοπιστία σε βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης-κλίμακας.
Συνοπτικά, τα MB σε μεμβράνες UF αναστέλλουν αποτελεσματικά τη ρύπανση που προκαλείται από φυσική οργανική ύλη και άλλα μακρομόρια μέσω της διασποράς, της διεπαφής ρύθμισης και των επιδράσεων στροβιλισμού. Επιβραδύνουν σημαντικά την πτώση της ροής και σταθεροποιούν την TMP. Με τα πράσινα και χαμηλά{2}}ενεργειακά χαρακτηριστικά τους, τα ΜΒ ευθυγραμμίζονται με τους στόχους βιώσιμης ανάπτυξης των τεχνολογιών επεξεργασίας νερού και παρέχουν ισχυρή υποστήριξη για ευρύτερη υιοθέτηση. Καθώς η τεχνολογία ωριμάζει και οι στρατηγικές εφαρμογής επεκτείνονται, τα MB αναμένεται να γίνουν ζωτικό συστατικό των συστημάτων ελέγχου ρύπανσης UF, παρέχοντας πιο αποτελεσματικές και φιλικές προς το περιβάλλον λύσεις για τη βιομηχανία επεξεργασίας νερού.