Ultrafiltration (UF) -kalvoja, joilla on erinomainen erotustarkkuus (0,001–0,1 μm), käytetään laajasti juomaveden tuotannossa ja jäteveden käsittelyssä. Luonnollisilla orgaanisilla aineilla (NOM), proteiineilla, polysakkarideilla ja muilla makromolekyylillä on kuitenkin taipumus kerääntyä kalvon pinnalle ja sen huokosiin, mikä johtaa virtauksen heikkenemiseen ja lisääntyneeseen transmembraanipaineeseen (TMP). Tämä likaantumisilmiö on edelleen kriittinen pullonkaula, joka rajoittaa UF-teknologian kestävää toimintaa. Perinteiset strategiat, kuten vastapesu, kemiallinen puhdistus ja esikäsittely, voivat lieventää likaantumista lyhyellä aikavälillä, mutta usein toistuva puhdistus, lyhentynyt kalvon käyttöikä ja suurempi käyttöenergiankulutus ovat usein väistämättömiä. Tämän seurauksena uusien fysikaalisten vahvistusmenetelmien tutkimisesta UF-likaantumisen lievittämiseksi on tullut tutkimuskeskus sekä tiedemaailmassa että teollisuudessa.
Ilman mikrokuplien (MBs) käyttö tarjoaa lupaavan uuden reitin likaantumisen estoon UF-kalvoissa. Kun halkaisijat ovat tyypillisesti mikrometrialueella, MB:t voidaan dispergoida tasaisesti veteen, jolloin syntyy turbulenssia ja rajapintavaikutuksia, jotka tarjoavat ainutlaatuisia etuja kalvoprosesseissa. Tutkimukset ovat osoittaneet, että MB:iden lisääminen UF-syöttöveteen voi vähentää merkittävästi likaantumisaineiden aggregaatiota ja kerrostumista kalvon pinnalle, mikä parantaa toiminnan vakautta.
Ensinnäkin MB:t aiheuttavat likaantumista estävän vaikutuksenhajonta- ja eristysmekanismit. Kun MB:t on tuotu UF-järjestelmään, ne toimivat pieninä "erottimina", jotka hajottavat likaantumisaineita ja heikentävät niiden vuorovaikutusta. Luonnollinen orgaaninen aine, joka muuten aggregoituisi klustereiksi, jakautuu tasaisemmin MB:iden vaikutuksesta. Tämä dispersio ei ainoastaan vähennä likaantumisen todennäköisyyttä kalvon pinnalle, vaan myös vähentää kakkukerroksen tiiviyttä tehden siitä huokoisemman ja löysemmän, mikä helpottaa veden läpäisyä. Kokeet ovat osoittaneet, että MB:ien läsnäolo voi vähentää merkittävästi syöttöveden näennäistä viskositeettia, mikä on avaintekijä vuon suorituskyvyn parantamisessa.
Toiseksi MB:t voivatmuuttaa orgaanisten aineiden ja kalvon pinnan välisiä vuorovaikutuksia. Humiinihappo (HA), joka on UF-kalvojen orgaanisen likaantumisen pääkomponentti, vaikuttaa erityisesti. MB:t kiinnittyvät liuoksessa oleviin HA-hiukkasiin, mikä muuttaa niiden ζ-potentiaalin jakautumista ja vähentää varautuneiden hiukkasten taipumusta aggregoitua. Tämä tarkoittaa, että MB:t estävät tehokkaasti tiheiden orgaanisten kerrosten muodostumisen kalvon pinnalle. Tutkimukset osoittavat, että UF-kokeissa HA-pitoisella syöttövedellä MB:iden lisääminen lisäsi merkittävästi normalisoitua virtausta sekä umpikuja-- että poikki-virtaussuodatustiloissa, ja maksimiparannukset olivat jopa 139 %. Tämä korostaa MB:iden kriittistä roolia orgaanisen likaantumisen hallinnassa.
Kolmanneksi MB:t vaikuttavat positiivisestiTMP ja virtauksen stabiilisuus. Perinteisessä UF-käytössä virtaus laskee tasaisesti, kun taas TMP kasvaa pitkäaikaisessa käytössä. MB:illä löysempi likaantumiskerrosrakenne ja heikentynyt adheesio kuitenkin hidastavat vuon vähenemistä ja estävät TMP:n kasvua. Tämä vaikutus pidentää kalvon tehokasta käyttöaikaa ja vähentää toistuvan puhdistuksen ja seisokkien tarvetta.
Lisäksi MB:t tarjoavatenergian-säästöä ja ympäristöhyötyjä. Likaantumista vähentämällä MB:t vähentävät vastahuuhtelun ja kemiallisen puhdistuksen tiheyttä, mikä säästää suuria määriä vettä ja kemikaaleja ja alentaa sekä kustannuksia että ympäristökuormitusta. Lisäksi vähäisempi riippuvuus kovista puhdistusaineista minimoi kemialliset vauriot kalvomateriaalille, mikä auttaa pidentämään kalvon käyttöikää ja vähentämään entisestään pitkän aikavälin vaihtokustannuksia.
On syytä huomata, että useat toimintaparametrit vaikuttavat MB:iden tehokkuuteen likaantumisenestossa. Esimerkiksi syöttöveden pH vaikuttaa merkittävästi MB:n suorituskykyyn. Tutkimukset ovat osoittaneet, että kun pH on lähellä neutraalia (noin 6), MB:t osoittavat voimakkainta estoa HA:n likaantumista vastaan. Tämä johtuu siitä, että HA-molekyyleillä on edullisin varausjakauma MB-adsorptiolle ja -dispersiolle näissä olosuhteissa. Myös muut tekijät, kuten MB-pitoisuus, kuplien koko, syöttöveden lämpötila ja paine, ovat tärkeitä. Yleensä alhaisempi lämpötila ja paine, kohtalainen MB-pitoisuus ja korkeammat ilmavirtaukset ovat hyödyllisiä maksimoimaan MB:n likaantumisen estokykyä.
Tulevaisuudessa MB:illä on merkittävä potentiaali UF-likaantumien hallintaan. Toisaalta MB:iden yhdistäminen online-valvontajärjestelmiin voisi mahdollistaa MB:n annostuksen reaaliaikaisen-säädön vuo- ja TMP-signaalien perusteella, mikä mahdollistaa tarkan ja mukautuvan likaantumisen eston. Toisaalta MB:t voitaisiin integroida adsorboiviin hiukkasiin, ympäristöystävällisiin kemiallisiin lisäaineisiin tai hybridikäsittelystrategioihin, jolloin muodostuisi "fyysinen + kemiallinen + materiaali" monimekanismiinen likaantumisenestojärjestelmä, mikä parantaa suorituskykyä entisestään. Lisäksi tulevissa tutkimuksissa pitäisi käsitellä MB:iden pitkän aikavälin stabiilisuutta ja niiden mahdollisia mikroskooppisia vaikutuksia kalvomateriaaleihin turvallisuuden ja luotettavuuden varmistamiseksi laajamittaisissa teollisissa sovelluksissa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että UF-kalvoissa olevat MB:t estävät tehokkaasti luonnollisen orgaanisen aineen ja muiden makromolekyylien aiheuttamaa likaantumista dispersion, rajapintojen säätelyn ja turbulenssivaikutusten kautta. Ne hidastavat merkittävästi virtauksen laskua ja stabiloivat TMP:tä. Vihreiden ja{2}}vähäenergiaisten ominaisuuksiensa ansiosta MB:t noudattavat vedenkäsittelyteknologioiden kestävän kehityksen tavoitteita ja tarjoavat vahvan tuen laajemmalle käyttöönotolle. Teknologian kehittyessä ja sovellusstrategioiden laajentuessa MB:istä odotetaan tulevan tärkeä osa UF-likaantumisen hallintajärjestelmiä, jotka tarjoavat tehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä ratkaisuja vedenkäsittelyteollisuudelle.