Η αντίστροφη όσμωση (RO) είναι μια από τις πιο σημαντικές τεχνολογίες επεξεργασίας νερού σήμερα. Με ακρίβεια φιλτραρίσματος στο επίπεδο 0,0001 μm, εφαρμόζεται ευρέως στην αφαλάτωση θαλασσινού νερού, στην επαναχρησιμοποίηση βιομηχανικών λυμάτων και στην παραγωγή νερού υψηλής-καθαρότητας. Ωστόσο, οι μεμβράνες RO είναι πολύ ευαίσθητες σε ρύπανση κατά τη λειτουργία, ιδιαίτερα με ανόργανη απολέπιση (π.χ. CaCO3 και CaSO4), η οποία μειώνει τη ροή του νερού, αυξάνει τη διαμεμβρανική πίεση (TMP) και επιταχύνει τη γήρανση της μεμβράνης. Οι συμβατικές στρατηγικές μετριασμού βασίζονται σε αντιαλειπτικά και όξινο/αλκαλικό καθαρισμό. Αν και είναι αποτελεσματικές, αυτές οι μέθοδοι αυξάνουν το χημικό κόστος, δημιουργούν κινδύνους δευτερογενούς ρύπανσης και μπορεί να αφήσουν τις ρύπους να αφαιρεθούν μόνο εν μέρει ενώ προκαλούν ζημιά στη μεμβράνη. Ως αποτέλεσμα, οι μη-χημικές προσεγγίσεις ελέγχου ρύπανσης και καθαρισμού χαμηλής{10}}ενέργειας έχουν γίνει προτεραιότητα για τη βιομηχανία.
Οι μικροφυσαλίδες αέρα (MBs), με διαμέτρους στην περιοχή μικρομέτρων, φέρνουν νέες δυνατότητες στα συστήματα RO. Οι επιφάνειές τους είναι φορτισμένες και η ρήξη τους συνοδεύεται από μικρο-πίδακες και τοπικούς στροβιλισμούς. Αυτά τα μοναδικά χαρακτηριστικά επιτρέπουν στα MB να παίζουν ενισχυτικό ρόλο τόσο στην αναστολή ρύπανσης όσο και στον καθαρισμό της μεμβράνης.
Όσον αφορά την αναστολή ρύπανσης, τα MB παρέχουν πολλαπλά αποτελέσματα:
- Ηλεκτροστατικό αποτέλεσμα– Οι επιφάνειες MB φέρουν αρνητικά φορτία, τα οποία προσελκύουν θετικά φορτισμένα ιόντα και μόρια στο διάλυμα, εμποδίζοντάς τα έτσι να εναποτεθούν απευθείας στην επιφάνεια της μεμβράνης.
- Παρεμβολή πυρήνων– Τα MB λειτουργούν ως εναλλακτικές θέσεις πυρήνωσης, προάγοντας την ανάπτυξη κρυστάλλων αλατιού στο χύμα διάλυμα αντί στην επιφάνεια της μεμβράνης, εκτρέποντας αποτελεσματικά την απολέπιση από τη διεπαφή.
- Τυρβώδης αναταραχή– Η κίνηση και η κατάρρευση των MB διαταράσσουν το στρώμα πόλωσης της συγκέντρωσης, μειώνοντας τη συσσώρευση διαλυμένης ουσίας κοντά στη μεμβράνη.
Τα πειραματικά στοιχεία είναι ξεκάθαρα: υπό συνθήκες τόσο με CaCO3 όσο και με CaSO4, η συνεχής έγχυση MBs για τέσσερις ημέρες αύξησε την κατακράτηση ροής από 55–63% σε 83–86%. Είναι αξιοσημείωτο ότι η απόδοση όχι μόνο ξεπέρασε την ομάδα ελέγχου, αλλά ξεπέρασε και αυτή των εμπορικών αντιαλοιφών, δείχνοντας ότι τα MB μπορούν να λειτουργήσουν ως μια πράσινη,-μέθοδος ελέγχου χωρίς χημική κλίμακα.
Για τον καθαρισμό, τα MB επιδεικνύουν εξίσου ισχυρές δυνατότητες.Σε αντίθεση με τον παραδοσιακό χημικό καθαρισμό, τα MB βασίζονται στη φυσική διαταραχή:
- Brownian κίνηση– Τα MB μετακινούνται τυχαία στο διάλυμα, διαταράσσοντας το στρώμα πόλωσης της συγκέντρωσης και ενισχύοντας τη μεταφορά διαλυμένης ουσίας.
- Επιφανειακή προσρόφηση– Με τη μεγάλη ειδική επιφάνεια τους, τα MB προσροφούν τασιενεργά και άλλα ενεργά μόρια, αλλάζοντας τη διαβρεξιμότητα της μεμβράνης και την επιφανειακή τάση, γεγονός που καθιστά ευκολότερη την αποκόλληση των ρύπων.
- Διεπιφανειακή κατάρρευση– Η κατάρρευση της φυσαλίδας απελευθερώνει τοπικές εκρήξεις ενέργειας, απομακρύνοντας σωματικά τις ρυπογόνες εναποθέσεις.
Τα πειράματα καθαρισμού επί τόπου έδειξαν ότι τα MB μπορούν να αποκαταστήσουν τη ροή μεμβράνης RO στο 100% ενώ αυξάνουν την απόρριψη διαλυμένης ουσίας κατά 0,8%. Σε σύγκριση με τον όξινο ή αλκαλικό καθαρισμό, ο υποβοηθούμενος καθαρισμός MB-είναι πιο ήπιος, μειώνει τη χημική διάβρωση της μεμβράνης και μειώνει τη χημική εκκένωση.
Οι συνθήκες λειτουργίας είναι κρίσιμες για την απόδοση MB.Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις, τα MB επιβιώνουν περισσότερο και λειτουργούν πιο αποτελεσματικά. Οι κατάλληλοι ρυθμοί ροής αέρα βοηθούν στην αύξηση της πυκνότητας των φυσαλίδων στο οριακό στρώμα της μεμβράνης, ενισχύοντας τις αναταράξεις. Αντίθετα, σε υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις, η κατάρρευση των φυσαλίδων συμβαίνει πιο γρήγορα, μειώνοντας την αποτελεσματικότητά τους. Επομένως, η βέλτιστη βιομηχανική εφαρμογή των MB απαιτεί ενσωμάτωση με βελτιστοποίηση παραμέτρων διεργασίας.
Κοιτάζοντας το μέλλον, εμφανίζονται αρκετές τάσεις.Καθώς ο κλάδος επεξεργασίας νερού στρέφεται προς πιο πράσινες και χαμηλότερες-λειτουργίες χημικής κατανάλωσης, τα MB είναι πιθανό να χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με συμβατικά αντιολισθητικά ή έξυπνα συστήματα παρακολούθησης. Χαμηλής-δοσομέτρησης χημικών ουσιών συν MBs θα μπορούσε να επιτύχει αποτελεσματικό έλεγχο ρύπανσης με μειωμένο κόστος, ενώ η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της ροής και του TMP θα μπορούσε να επιτρέψει προσαρμοστικές στρατηγικές έγχυσης MB για ακριβή πρόληψη. Απαιτείται επίσης μακροπρόθεσμη- έρευνα για να αξιολογηθεί εάν οι ελεύθερες ρίζες που δημιουργούνται κατά την κατάρρευση της φυσαλίδας μπορεί να επηρεάσουν τη σταθερότητα του υλικού της μεμβράνης.
Συνοπτικά, τα MB ενισχύουν την απόδοση RO αναστέλλοντας τη ρύπανση μέσω ηλεκτροστατικής προσρόφησης, παρεμβολής πυρήνων και αναταράξεων, ενώ επίσης ενισχύουν τον καθαρισμό μέσω της κίνησης Brown, της προσρόφησης και της διεπιφανειακής κατάρρευσης. Όχι μόνο σταθεροποιούν τη ροή και το TMP, αλλά μειώνουν επίσης την εξάρτηση από χημικούς παράγοντες, προσφέροντας μια πιο πράσινη και πιο οικονομική-επιλογή για τη λειτουργία RO. Με περαιτέρω έρευνα και την ωρίμανση του εξοπλισμού, τα MB είναι έτοιμη να γίνουν βασική τεχνολογία για την αναστολή ρύπανσης και τον καθαρισμό σε μεμβράνες RO, προωθώντας τη βιομηχανία επεξεργασίας νερού προς υψηλότερη απόδοση, χαμηλότερη χρήση ενέργειας και μεγαλύτερη βιωσιμότητα.
