La membrana di filtrazione si riferisce a un mezzo che separa due diverse fasi di sostanze sotto determinate forze motrici. Sotto l'azione della forza motrice, ioni, molecole e alcune particelle nella soluzione miscelata possono essere separati dalla permeabilità della membrana.
In base al tipo di materiale, le membrane si classificano in membrane organiche e membrane inorganiche. Le membrane organiche furono introdotte per la prima volta e ampiamente utilizzate nel trattamento dell'acqua grazie alla loro elevata efficienza di separazione, attrezzatura semplice e processo di formatura semplice. Tuttavia, presentano ancora degli svantaggi intrinseci, come la breve durata, la scarsa stabilità chimica, la debole resistenza ai microrganismi e la scarsa stabilità termica.
Le membrane inorganiche, in particolare le membrane ceramiche, hanno gradualmente attirato l'attenzione. Dagli anni ’90, il tasso di crescita annuale delle membrane inorganiche ha raggiunto il 30%-35%, con le membrane ceramiche che rappresentano circa l’80% di questa crescita.
Caratteristiche prestazionali delle membrane ceramiche inorganiche
Le membrane ceramiche sono una sorta di membrana allo stato solido, con il supporto costituito da materiali ceramici porosi e lo strato filtrante composto da membrane ceramiche microporose. Possono avere forma tubolare, piatta o multicanale. La superficie delle membrane ceramiche presenta micropori disposti uniformemente con dimensioni dei pori che tipicamente vanno da 0,004 a 15μm. Preparate con materiali come Al2O3, TiO2, ZrO2 e SiO2, le membrane ceramiche sono ben note per la loro eccellente stabilità chimica, resistenza alle alte temperature e lunga durata.
1. Resistenza alle alte temperature
Le membrane ceramiche inorganiche hanno un'eccellente resistenza al calore, con la maggior parte delle membrane ceramiche in grado di funzionare a temperature comprese tra 1000 e 1300 ℃. Sono adatti per la separazione di fluidi ad alta temperatura e alta viscosità. Negli scenari in cui la pulizia chimica non è fattibile, come nell'industria alimentare, lattiero-casearia e farmaceutica, o quando è necessario ridurre la viscosità del materiale aumentando la temperatura,
2. Buona stabilità chimica
Le membrane ceramiche inorganiche sono resistenti alla corrosione acida, alcalina e biologica, surclassando i metalli e altri materiali di membrana organica in termini di resistenza alla corrosione. Possono essere utilizzati per manipolare materiali con valori di pH estremi, in particolare materiali alcalini, inoltre hanno ottime proprietà antibatteriche e resistenza alla biodegradazione.
3. Elevata selettività di permeazione
A causa delle dimensioni ridotte dei pori delle membrane ceramiche porose, hanno un'elevata selettività di permeazione e possono essere applicate per l'ultrafiltrazione e la microfiltrazione. Inoltre, le membrane ceramiche per nanofiltrazione hanno diverse caratteristiche di separazione degli ioni, quindi il materiale ceramico può essere selezionato in base agli ioni target da separare.
4. Nessuna contaminazione, facile da pulire, lunga durata
Le membrane ceramiche hanno un'eccellente stabilità chimica, senza cambiamenti di fase o reazioni chimiche durante il processo di separazione, quindi non vi è alcuna contaminazione del liquido.
La pulizia della membrana ceramica è abbastanza semplice, è possibile utilizzare detergenti acidi, alcalini ed enzimatici per rimuovere precipitati insolubili, sostanze oleose e proteine sulla superficie della membrana, vapore e acqua bollente possono essere utilizzati per la sterilizzazione e il metodo controlavaggio può essere applicato per rimuovere i contaminanti dalla pori della membrana, poiché le membrane ceramiche hanno una struttura asimmetrica.
Le membrane ceramiche hanno un'eccellente durata, la durata tipica è di 3-5 anni e alcune possono arrivare anche fino a 8-10 anni con un'adeguata manutenzione.
5. Fotocatalisi
Alcuni tipi di membrane ceramiche, come le membrane TiO2, possiedono forti proprietà fotocatalitiche. Sotto la luce ultravioletta, possono uccidere batteri e altri microrganismi presenti nel materiale di alimentazione, rendendoli adatti per applicazioni di trattamento dell'acqua, purificazione dell'aria e sterilizzazione.
Applicazione delle membrane ceramiche nel trattamento delle acque reflue
1. Le membrane ceramiche per acque reflue dell'industria alimentare
hanno resistenza alle alte temperature, stabilità chimica e resistenza agli acidi, agli alcali e alla corrosione biologica, quindi hanno una vasta gamma di applicazioni nel trattamento di filtrazione delle acque reflue dell'industria alimentare, principalmente per le fabbriche di produzione di succhi di frutta, anche birra, salsa di soia, aceto, acqua di ginkgo, tè, ecc. possono essere utilizzati per la filtrazione di medicinali a base di erbe.
2. Acque reflue tessili e cartarie
Le acque reflue tessili e della produzione della carta sono caratterizzate da un grande volume, un'elevata colorazione e una composizione complessa, contenente coloranti, polpa, impurità di fibre, metalli pesanti e altre sostanze, hanno un'elevata tossicità biologica e causeranno un grave inquinamento. Le membrane ceramiche sono particolarmente efficaci per trattare i coloranti insolubili e, per i coloranti solubili, la velocità di rimozione può essere notevolmente migliorata aggiungendo tensioattivo.
3. Acque reflue biochimiche
L'applicazione delle membrane ceramiche nel campo dell'ingegneria biochimica ha recentemente attirato molta attenzione, coinvolgendo aree di rimozione cellulare, produzione di acqua sterile, chiarificazione di composti organici a basso peso molecolare e membrane di bioreattori. L'uso di membrane ceramiche per separare i batteri dal brodo di fermentazione ha portato a molteplici installazioni su scala industriale, migliorando solo la produttività del prodotto, riducendo il carico delle apparecchiature, ma anche riducendo significativamente lo scarico delle acque reflue.
4. Acque reflue contenenti petrolio
Le acque reflue contenenti petrolio provengono da varie fonti, tra cui prodotti petrolchimici, estrazione petrolifera, trasporti, lavorazione meccanica, cuoio, tessuti, alimenti e prodotti farmaceutici. Richiede molto ossigeno dal punto di vista chimico e contiene grandi quantità di petrolio, causando un grave inquinamento ambientale. La separazione efficace delle acque reflue contenenti petrolio è fondamentale per il risanamento ambientale, il recupero del petrolio e il riutilizzo dell’acqua. La tecnologia di filtrazione con membrana ceramica è diventata un punto caldo della ricerca grazie al suo eccellente effetto di separazione e all'assenza di inquinamento secondario.
5. Acque reflue domestiche e urbane
Le membrane di allumina possono essere utilizzate per trattare le acque reflue domestiche e urbane, i micropori non sono facili da bloccare, facili da pulire, gli inquinanti intrappolati rimangono semplicemente sulla superficie dello strato di controllo. Dopo la pulizia, il rapporto di ritenzione e la portata disponibile possono essere recuperati quasi al 100%. I tubi con membrana in allumina con una dimensione dei pori dello strato di controllo compresa tra 0,1 e 0,35 μm hanno un tasso di rimozione dell'83% per BOD5, del 67% per CODcr e del 100% per la materia solida sospesa maggiore di 0,1 μm.
Applicazione dei bioreattori a membrana ceramica nel trattamento delle acque
L'applicazione delle membrane ceramiche nel trattamento delle acque è particolarmente diffusa nel trattamento delle acque reflue, principalmente acque reflue industriali, la ricerca e l'applicazione delle membrane ceramiche nel trattamento delle acque reflue domestiche sono ancora relativamente rare. Le principali applicazioni delle membrane ceramiche nel trattamento delle acque reflue domestiche possono essere classificate in due tipi: separazione a membrana e bioreattori a membrana ceramica (CMBR) che combinano la separazione a membrana con la tecnologia dei bioreattori. Attualmente, la separazione a membrana è meno comune nella ricerca applicata, con la maggior parte degli sforzi concentrati sui bioreattori a membrana ceramica, prevalentemente processi anaerobici.
Il bioreattore a membrana (MBR) è una tecnologia innovativa per il trattamento dell'acqua che combina unità di separazione a membrana con unità di trattamento biologico. Il serbatoio di sedimentazione secondario utilizzato nel metodo tradizionale a fanghi attivi è sostituito da un modulo a membrana, che garantisce una separazione ad alta efficienza, una separazione fango-acqua e effetti di concentrazione dei fanghi senza precedenti. Inoltre, la membrana trattiene in modo efficiente i solidi sospesi, la materia organica, gli agenti patogeni e i virus dalle acque reflue, migliorando significativamente la qualità dell’acqua trattata.
Rispetto alle tradizionali tecniche di trattamento biochimico, l'MBR presenta vantaggi significativi quali elevata efficienza di trattamento, eccellente qualità dell'acqua, apparecchiature compatte, ingombro ridotto, facile automazione e funzionamento e gestione semplificati. A partire dagli anni ’80, questa tecnologia ha attirato crescente attenzione ed è diventata un argomento scottante nella ricerca sul trattamento delle acque. Attualmente, i bioreattori a membrana sono stati applicati in più di dieci paesi, tra cui Stati Uniti, Germania, Francia, Giappone ed Egitto.
Per il trattamento centralizzato delle acque reflue urbane, il grande volume di acqua da trattare e la concentrazione relativamente bassa di inquinanti rendono la filtrazione a membrana ad alta intensità energetica ed economicamente meno fattibile. Tuttavia, i bioreattori a membrana ceramica possono essere utilizzati per il trattamento distribuito delle acque reflue domestiche, come il riutilizzo delle acque reflue in un complesso residenziale. I bioreattori a membrana ceramica offrono funzionamento stabile, requisiti minimi di manutenzione, elevata resistenza meccanica, lunga durata e resistenza alla corrosione chimica, rendendoli altamente competitivi rispetto alle membrane organiche.
In sintesi, i bioreattori a membrana ceramica hanno ottenuto elogi diffusi nel trattamento delle acque industriali grazie alla loro lunga durata, elevata affidabilità, effetto di trattamento coerente, minori requisiti operativi e di manutenzione e hanno grandi prospettive di applicazione nel trattamento distribuito delle acque reflue domestiche.
