Как очистить опреснительную мембрану?

Фильтрационные мембраны играют важнейшую роль в самых разных отраслях промышленности по всему миру. Изготовленные из таких разнообразных материалов, как целлюлоза, графен и нейлон, они служат барьерами, которые превращают морскую воду в питьевую, отделяют и перерабатывают молоко и молочные продукты, а также удаляют загрязняющие вещества из сточных вод. Они служат важнейшей технологией для этих и других отраслей промышленности, но у них есть «ахиллесова пята»: загрязнение.

Засорение мембраны происходит, когда частицы с течением времени оседают на фильтре, засоряя систему и снижая ее эффективность и производительность. Очистка или обеззараживание этих мембран обычно основываются на химических процессах, при которых синтетические растворители прокачиваются через мембрану для промывки системы. Однако это приводит к снижению производительности и убыткам, а также к проблемам экологии и безопасности на рабочем месте, связанным с утилизацией отходов.

В прочем, скоро общественности будет представлено решение этой проблемы. Группа исследователей с факультета машиностроения Массачусетского технологического института, нашла альтернативу. Команда разработала новую систему, которая может очищать мембраны механически с помощью контролируемой деформации. Их новый подход, объединяющий мембраны и механику, потенциально может быть дешевле, быстрее и экологичнее традиционных методов очистки мембран и способен произвести революцию в фильтрации.

«Загрязнение — это самая большая проблема, с которой сталкиваются мембраны. Если мы сможем решить эту проблему, это станет переломным моментом для всех», — говорит Омар Лаббан (Omar Labban) с кафедры машиностроения, один из ведущих авторов новой статьи, опубликованной в журнале Journal of Membrane Science.

Все началось, когда два профессора оценили потенциал слияния своих областей знаний. Джон Линхард, профессор факультета машиностроения Массачусетского технологического института, объединил усилия с Сюаньхэ Чжао, профессором машиностроения и стипендиатом факультета Джорджа Н. Хатсопулоса. Линхард является международным экспертом в области очистки и опреснения воды, а Чжао специализируется на  эластичных материалах.

«Реальные бытовые проблемы, такие как загрязнение мембран, по своей природе выходят за дисциплинарные рамки», — говорит Линхард. «В данном случае мы столкнулись как с проблемой механики элестичных материалов, так и с проблемой опреснения. Наша команда объединила эти разрозненные знания с помощью экспериментальной программы, а целью стал более экологически безопасный процесс очистки».

Засорение — это процесс, в ходе которого частицы оседают на поверхности мембраны. Хотя это происходит в любой системе мембранной фильтрации, загрязнение доставляет особенно много хлопот при опреснении. Морская вода, являясь исходным материалом для процесса, содержит гораздо больше примесей, чем лишь соль, которую необходимо удалить. На мембранах обратного осмоса очень быстро скапливаются загрязняющие вещества: от бактерий до органических материалов и минералов. Когда мембраны засоряются, они становятся менее эффективными, что ограничивает количество чистой воды, которую можно получить, а также чистоту конечного продукта.

К сожалению, существующие способы очистки не являются идеальными. Мембраны, используемые для опреснения, очищаются с помощью химикатов, что отнимает время, деньги и ресурсы. Операторам установок по опреснению воды часто приходится останавливать производство для промывки систем на несколько часов в ходе цикла очистки. В молочной промышленности операторам приходится очищать мембраны несколько раз в день. Химические коктейли, используемые для промывки систем, часто являются запатентованными, что делает опреснение непомерно дорогим для некоторых стран и муниципалитетов. Воздействие на окружающую среду также очень велико, поскольку в этом случае предприятия должны решить, как утилизировать большое количество химических отходов, не создавая экологических и токсикологических проблем.

Руководствуясь соображениями эффективности, доступности и экологической стабильности, исследовательская группа стремилась разработать решение, не требующее химикатов и основанное на принципах механики. Члены исследовательской группы вспоминают первые дни, когда группа исследовала различные методы вибрации, включая стереосистему, чтобы стряхнуть слой загрязнителя с мембраны. Затем они перешли к экспериментам по изменению давления с каждой стороны мембраны, чтобы ослабить сцепление обломков. В конце концов, они смогли вызвать отслаивание загрязнения.

С помощью аккуратных изменений давления команда смогла постепенно ослабить и деформировать сцепленный слой загрязняющих веществ, пока его не удалось смыть. Предыдущие исследования избегали этот метод из-за хрупкости мембран, группа иследователей показала, что если вы контролируете этот процесс должным образом, то сможете избежать повреждения мембраны. Самое главное, что этот метод можно использовать на стандартном для отрасли спиральном мембранном модуле, где плотно расположенные слои мембран представляют собой проблему для других механических методов очистки.

Хотя традиционные процессы химической очистки могут быть необходимы в дополнение механического решения, этот новый метод может уменьшить зависимость от химической промывки, что принесет многократную пользу операторам установок. Расчеты команды показали, что время остановки оборудования для очистки сократится в шесть раз. Если установки будут останавливаться реже, то общее количество чистой воды, производимой системой, может увеличиться. «Вы сэкономите на стоимости, вы будете больше эксплуатировать установку, вы получите больше продукции». Когда очистка перестает быть бременем для оператора, в долгосрочной перспективе система будет работать гораздо лучше», — объясняет Лаббан.

Эти улучшения дают ощутимые преимущества как производителям, так и потребителям. В ходе полевых исследований команда изучила потенциал рынка для этой технологии и побеседовала с операторами заводов в различных отраслях промышленности, которые выразили недовольство обременительным характером процесса очистки. Только для молочной промышленности, которая уже столкнулась с сокращением прибыли из-за пандемии, по оценкам команды, переход на механическую очистку может сократить затраты на очистку вдвое.

Уникальное пересечение мембранной технологии и механических процессов, которое моделирует эта технология, обеспечивает решение, которое многие в области опреснения не считали возможным. «

В настоящей работе рассматриваются в основном органические загрязняющие вещества, и методика была оценена только для ограниченного числа отраслей промышленности. Однако в будущем команда намерена расширить свои исследования и применить метод в различных областях, включая энергетику и сельское хозяйство. Пока используются мембраны, будет существовать потребность в их очистке. «Мы очень рады, что нам удалось решить основную проблему, связанную с мембранами и опреснением воды», — говорит Лаббан. «Ничто другое не может сравниться с этой задачей».

Отличное исследование, проведенное группой ученых. Интересно, кому оно принесет больше пользы: владельцам доменов в зоне .pharmacy или .industries ?