افزایش عمر استفاده مجدد از ممبران اسمز معکوس با استفاده از کلر

فناوری های غشایی برای تولید آب پایدار راه حلی کارآمد برای تصفیه و فیلتراسیون است. فناوری ممبران اسمز معکوس (RO) یک فرآیند فشار محور با طیف گسترده ای از کاربردها است و به عنوان یک رویکرد مانع ضروری برای اطمینان از آب با کیفیت بالا برای استفاده مجدد قابل شرب ظاهر شده است [1]. ممبران کامپوزیت لایه نازک زخم مارپیچی با پلی آمید (PA) به عنوان لایه فعال رایج ترین غشاهای RO هستند. سیستم‌های نمک‌زدایی مبتنی بر RO و استفاده مجدد از آب شهری و صنعتی دو سوم سهم بازار جهانی نمک‌زدایی را از نظر کل ظرفیت نصب شده در اختیار دارند [2]. با این حال، پیری در طول عمر غشا رخ می دهد و مدیریت غشای RO در پایان عمر به یک نگرانی زیست محیطی و اقتصادی جهانی تبدیل شده است [3]. به طور سنتی، ممبران دور ریخته شده در محل های دفن زباله دفع می شوند. تخمین زده می شود که سالانه بیش از 800000 عنصر غشایی RO پایان عمر در جهان تخلیه می شود که به بیش از 14000 تن در سال می رسد [2].

در دهه های گذشته تلاش های مختلفی برای افزایش طول عمر ممبران RO انجام شده است، از جمله فرآیندهای پیش تصفیه کارآمدتر [[4]، [5]، [6]، [7]، [8]، [9]، [10]، 11]، [12]، [13]]، تکنیک های ضد رسوب [[14]، [15]، [16]، [17]]، و روش های تمیز کردن ممبران. بازیافت غشاء همچنین نه تنها برای منافع اقتصادی، بلکه برای منافع زیست محیطی نیز یک گزینه بوده است [21]. دو منطقه وسیع برای کاهش اثرات اقتصادی و زیست محیطی دفع ممبران RO مورد هدف قرار گرفته است: بازیافت غیر مستقیم و مستقیم [3]. بازیافت غیرمستقیم معمولاً شامل باز کردن عناصر مارپیچ RO و استخراج اجزای پلاستیکی برای مدیریت فردی است. در حالی که در بازیافت مستقیم، لایه PA با حفظ پیکربندی مارپیچی اصلاح می شود. اگرچه اصلاح PA می تواند ممبران RO را برای استفاده مورد نظر خود بازیابی کند، معمولاً به یک غشای انتخابی کمتر تبدیل می شود [3].

سطوح ممبران RO را می توان با قرار دادن غشاها در معرض یک اکسیدان شیمیایی قوی مانند محلول غلیظ کلر آزاد (NaOCl)، پراکسید هیدروژن (H2O2)، یا پرمنگنات پتاسیم (KMnO4) اصلاح کرد [ 22،23 ] . لایه PA غشاهای RO تحمل کمی نسبت به کلر آزاد دارد [24] و قرار گرفتن در معرض طولانی مدت مورفولوژی و ساختار ممبران را تغییر می دهد [25]، که باعث می شود کلر به یک عامل رایج برای تغییر لایه PA تبدیل شود. ساختار شیمیایی لایه PA دارای پیوندهای آمیدی متعددی است و در حضور رادیکال‌های کلر، گروه‌های N-H به گروه‌های N-Cl تبدیل می‌شوند که منجر به افزایش شار آب و کاهش دفع املاح می‌شود [26]. مطالعات با استفاده از مفهوم دوز نوردهی، محصول غلظت و زمان قرار گرفتن در معرض (ppm-h) تأثیر ممبران اصلاح شده را بر عملکرد نفوذپذیری و دفع نمک توصیف کرده‌اند [24،27،28]. لاولر و همکاران [28] افزایش قابل توجهی در نفوذپذیری آب (بیش از 8.6 برابر) پس از قرار دادن ممبران RO در معرض 300000 ppm-h NaOCl گزارش کرد که لایه PA را به خطر انداخت و گزینش پذیری را کاهش داد. اگر عناصر RO پایان عمر برای نمک‌زدایی پس از قرار گرفتن در معرض شیمیایی مناسب نباشند، می‌توانند به عنوان ممبران نانوفیلتراسیون (NF) یا اولترافیلتراسیون (UF) [22،23] یا برای کاربردهای تصفیه درجه پایین‌تر مانند آب دریا استفاده شوند. پیش تصفیه نمک زدایی [27،29]. دوز کلر به طراحی غشاء RO و محصول بازیافت مورد نظر بستگی دارد. به طور کلی، ادبیاتی که بر تبدیل ممبران RO پایان عمر به ممبران NF و UF متمرکز است، از دوزهای کلر بسیار بالایی که از 1000 تا 48000 ppm-h برای غشاهای NF مانند [2،3،30] و از 20،000 تا 350000 ppm-h برای غشاهای UF مانند [2،3،23،28،30،31].

اکسیداسیون شیمیایی ممکن است در حالت های مختلف برای ممبران RO اعمال شود. به عنوان مثال، عامل تبدیل ممکن است در طول شرایط عملیاتی عادی یا پس از یک تمیز کردن شیمیایی رویه به جریان خوراک تزریق شود [[32]، [33]، [34]]. انتخاب پروتکل اکسیداسیون ممبران به عوامل مختلفی از جمله شرایط عملکرد سیستم، ویژگی های ممبران و کاربرد ممبران اصلاح شده بستگی دارد.

اصلاح دوره‌ای غشاء ممکن است یک راه جایگزین برای بازیابی عملکرد ممبران با حذف تدریجی رسوب‌ها و پوسته‌گیری‌هایی باشد که با تمیز کردن‌های شیمیایی منظم از بین نمی‌روند، و سپس به تدریج تخریب لایه PA برای افزایش نفوذپذیری آب می‌شود. اصلاح سطح ممبران بدون از دست دادن گزینش پذیری و/یا نفوذپذیری ممبران RO دارای مزیت حفظ تولید آب با کیفیت بالا و کاهش هزینه های عملیاتی است. تجزیه و تحلیل همزمان نفوذپذیری یون، ماده آلی محلول (DOM)، و پیشرفت ویروس می تواند نشان دهد که گزینش پذیری ممبران اکسید شده برای تولید آب با کیفیت بالا قابل قبول است. DOM شامل انواع مختلفی از اجزای آلی با بخش های مختلف کروموفوریک (مولکول هایی که نور را جذب می کنند) و فلوروفوریک (مولکول هایی که نور ساطع می کنند) است. مطالعات متعدد کروماتوگرافی حذف اندازه همراه با آشکارساز کربن آلی (SEC-OCD) را برای مشخص کردن توزیع وزن مولکولی ظاهری (AMW) DOM [35،36] و فلورسانس ماتریس تحریک-انتشار (EEM) برای طبقه‌بندی نوع DOM یافت شده بررسی کرده‌اند. در آب های طبیعی و سیستم های آب مهندسی شده [37،38]. هر ناحیه در طیف فلورسانس EEM با گروه های عملکردی متفاوتی مرتبط است. تجزیه و تحلیل فلورسانس SEC-OCD و EEM به طور فزاینده ای برای امکان شناسایی سریعتر و حساس تر مواد آلی محلول در حال گسترش است.

اگرچه قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی کنترل شده پتانسیل افزایش طول عمر ممبران RO را دارد، اکثر مطالعات سیستم‌های فیلتراسیون متقاطع آزمایشگاهی کوتاه‌مدت را با استفاده از آب مصنوعی برای اصلاح غشاها آزمایش یا تأیید کردند. بنابراین، یک شکاف دانش در اصلاح تدریجی غشاهای RO توسط اکسیداسیون شیمیایی در یک سیستم در مقیاس مهندسی پیوسته با استفاده از فاضلاب شهری تصفیه شده وجود دارد. علاوه بر این، کمبود مطالعاتی در مورد بررسی عملکرد طولانی مدت ممبران اکسید شده و کارآیی آنها در حذف ویروس های آلی، معدنی و طبیعی برای استفاده مجدد از آب وجود دارد.

در این مطالعه، اصلاح شیمیایی کنترل‌شده بر روی یک سیستم RO در مقیاس مهندسی پیوسته انجام شد که تقریباً سه سال آب بازیافت‌شده را تصفیه می‌کرد. هدف کلی بازیابی نفوذپذیری ظاهری آب غشاهای RO پایان عمر و درک تغییرات در ویژگی‌های غشا ناشی از اصلاح سطح ممبران به دلیل کلرزنی درجا بود. برای دستیابی به این اهداف، سطح غشاء RO به تدریج با قرار دادن آن در معرض کلر آزاد اصلاح شد تا اثر اکسیداسیون لایه فعال RO بر نفوذپذیری ظاهری آب و هدایت / دفع یون بررسی شود. فلورسانس SEC-OCD و EEM جزئیاتی را در مورد ماده آلی نفوذ کرده از غشای اکسید شده، مانند وزن مولکولی ظاهری ذرات آلی و نوع ترکیبات آلی، ارائه می دهد که ممکن است نشان دهنده کاهش وزن مولکولی ممبران اصلاح شده (MWCO) و / یا اندازه منافذ پس از اکسیداسیون. علاوه بر این، پیشرفت ویروس طبیعی در نفوذ RO نظارت شد.