ממברנות אולטרה-פילטרציה (UF), עם דיוק ההפרדה המעולה שלהן (0.001-0.1 מיקרומטר), מיושמות באופן נרחב בייצור מי שתייה ובטיפול בשפכים. עם זאת, חומרים אורגניים טבעיים (NOM), חלבונים, פוליסכרידים ומקרומולקולות אחרות נוטים להצטבר על פני הממברנה ובתוך הנקבוביות שלו, מה שמוביל לירידה בשטף ולחץ על פני הממברנה (TMP). תופעת התכלות זו נותרה צוואר בקבוק קריטי המגביל את הפעולה בת-קיימא של טכנולוגיית UF. אסטרטגיות קונבנציונליות כגון שטיפה לאחור, ניקוי כימי וטיפול מקדים יכולות להפחית זיהומים בטווח הקצר, אך ניקוי תכוף, קיצור תוחלת החיים של הממברנה וצריכת אנרגיה תפעולית גבוהה יותר הם לרוב בלתי נמנעים. כתוצאה מכך, בחינת שיטות חיזוק פיזי חדשניות להקלה על זיהום ב-UF הפכה למוקד מחקר הן באקדמיה והן בתעשייה.
היישום של בועות מיקרו-אוויר (MBs) מציע מסלול חדש ומבטיח לעיכוב זיהומים בממברנות UF. עם קטרים בדרך כלל בטווח המיקרומטר, ניתן לפזר MBs באופן אחיד במים, וליצור מערבולות והשפעות ממשק המספקות יתרונות ייחודיים בתהליכי ממברנה. מחקרים הוכיחו שהחדרת MBs למי הזנה של UF יכולה להפחית באופן משמעותי את הצטברות ותצהיר של חומרי זיהום על פני הממברנה, ובכך לשפר את היציבות התפעולית.
ראשית, MBs מפעילים אפקט עיכוב עכבות דרךמנגנוני פיזור ובידוד. לאחר הכנסתם למערכת ה-UF, MBs פועלים כ"מפרידים" זעירים, מפזרים חומרי זיהום ומחלישים את האינטראקציות ביניהם. חומר אורגני טבעי שאחרת היה מצטבר לאשכולות מתפזר בצורה שווה יותר בהשפעת MBs. פיזור זה לא רק מפחית את הסבירות של שקיעת חומר חיטוי על פני הממברנה, אלא גם מקטין את הקומפקטיות של שכבת העוגה, מה שהופך אותה לנקבוביה ורופפת יותר, ובכך מקל על חדירת המים. ניסויים הראו שהנוכחות של MBs יכולה להפחית באופן ניכר את הצמיגות הנראית לעין של מי הזנה, שהם גורם מפתח בשיפור ביצועי השטף.
שנית, MBs יכוליםלשנות את האינטראקציות בין חומרים אורגניים למשטח הממברנה. חומצה הומית (HA), מרכיב עיקרי של זיהומים אורגניים בממברנות UF, מושפעת במיוחד. MBs מתחברים לחלקיקי HA בתמיסה, משנה את התפלגות הפוטנציאל ζ- שלהם ומפחיתים את הנטייה של חלקיקים טעונים להצטבר. המשמעות היא ש-MBs מונעים ביעילות היווצרות של שכבות אורגניות צפופות על פני הממברנה. מחקרים מצביעים על כך שבניסויי UF עם HA- המכילים מי הזנה, הכנסת MBs הגדילה באופן משמעותי את השטף המנורמל הן במצבי סינון- ללא מוצא והן במצבי סינון- חוצה זרימה, עם שיפורים מרביים שהגיעו לעד 139%. זה מדגיש את התפקיד הקריטי של MBs בשליטה על זיהומים אורגניים.
שלישית, MBs משפיעים לטובהיציבות TMP ושטף. בפעולת UF קונבנציונלית, השטף יורד בהתמדה בעוד ה-TMP עולה עם שימוש ממושך. עם זאת, עם MBs, מבנה שכבת העיכול הרופף יותר והדבקה מוחלשת מאטים את ירידת השטף ומדכאים עליות TMP. השפעה זו מאריכה את זמן הפעולה האפקטיבי של הממברנה ומפחיתה את הצורך בניקוי תכופים ובזמן השבתה.
בנוסף, מציעים MBsחיסכון באנרגיה- ויתרונות סביבתיים. על ידי הקלת זיהומים, MBs מפחיתים את התדירות של שטיפה לאחור וניקוי כימי, ובכך חוסכים כמויות גדולות של מים וכימיקלים ומורידים הן עלויות והן עומסים סביבתיים. יתרה מכך, הסתמכות מופחתת על חומרי ניקוי קשים ממזערת את הנזק הכימי לחומר הממברנה, ועוזרת להאריך את תוחלת החיים של הממברנה ולהפחית עוד יותר את הוצאות ההחלפה-לטווח הארוך.
ראוי לציין כי היעילות של MBs בעיכוב זיהום מושפעת ממספר פרמטרים תפעוליים. לדוגמה, pH של מי הזנה משפיע באופן משמעותי על ביצועי MB. מחקרים הראו שכאשר ה-pH קרוב לנייטרלי (בסביבות 6), MBs מציגים את העיכוב החזק ביותר נגד עכירות HA. הסיבה לכך היא שמולקולות HA מציגות התפלגויות מטען הטובות ביותר לספיחה ופיזור MB בתנאים אלה. גורמים אחרים כמו ריכוז MB, גודל בועות, טמפרטורת מי הזנה ולחץ משחקים גם הם תפקידים חשובים. באופן כללי, טמפרטורה ולחץ נמוכים יותר, ריכוז MB מתון וקצבי זרימת אוויר גבוהים יותר מועילים למקסום ביצועי עיכוב זיהום MB.
במבט קדימה, MBs טומן בחובו פוטנציאל משמעותי לבקרת פגיעה ב-UF. מצד אחד, שילוב של MBs עם מערכות ניטור מקוונות יכול לאפשר-התאמה בזמן אמת של מינון MB בהתבסס על אותות שטף ו-TMP, ולהשיג מניעת התכלות מדויקת והסתגלותית. מצד שני, ניתן לשלב MBs עם חלקיקים סופחים, תוספים כימיים ידידותיים-לסביבה, או אסטרטגיות טיפול היברידיות כדי ליצור מערכת בקרת עכבות מרובה- "פיזיקלי + כימי + חומר", ולשפר עוד יותר את הביצועים. בנוסף, מחקרים עתידיים צריכים להתייחס ליציבות-לטווח הארוך של MBs ולהשפעות המיקרוסקופיות הפוטנציאליות שלהם על חומרי ממברנה כדי להבטיח בטיחות ואמינות ביישומים תעשייתיים-גדולים.
לסיכום, MBs בממברנות UF מעכבות ביעילות עכירות הנגרמת על ידי חומר אורגני טבעי ומקרומולקולות אחרות באמצעות פיזור, ויסות פנים ואפקט של מערבולות. הם מאטים משמעותית את ירידת השטף ומייצבים את ה-TMP. עם מאפייני האנרגיה הירוקים והנמוכים-שלהם, MBs מיישרים קו עם יעדי הפיתוח בר-קיימא של טכנולוגיות לטיפול במים ומספקים תמיכה חזקה לאימוץ רחב יותר. ככל שהטכנולוגיה מתבגרת ואסטרטגיות היישום מתרחבות, MBs צפויים להפוך למרכיב חיוני במערכות בקרת זיהום UF, לספק פתרונות יעילים וידידותיים יותר לסביבה עבור תעשיית הטיפול במים.