Det er en velkendt kendsgerning, at naturligt organisk stof (NOM) er en af de største bidragydere til lavtryksmembranforurening, men kan nogen virkelig finde ud af, hvilken specifik fraktion af NOM der er ansvarlig? Baseret på de mange forskningskonklusioner, jeg har set, er det sandsynligt, at der ikke er noget "en-size-passer-svar for alle".
Der er mange måder, hvorpå NOM kan karakteriseres, og typisk har forskningen kun set på en eller to af disse karakteristika samtidigt for at identificere, hvilken fraktion af NOM, der er ansvarlig for membranbegroning.
NOM er ikke NOM...
NOM-karakteristika kan variere betydeligt fra vandkilde til vandkilde afhængig af det organiske stof i oplandet, geologiske forhold, klima osv. De mest almindelige variabler, der bruges til at karakterisere organisk stof, er størrelse, struktur og funktionalitet.
Disse variabler er yderligere defineret som følger:
Size: Size fractions can be defined as particulate (>0,45 µm), opløst (<0.45 µm) and colloidal (~1 nm to 1 µm) where the colloidal fraction crosses over the dissolved and particulate definitions. Molecular weight (MW) distribution is also used to characterize NOM size fractions.
Struktur: NOM-fraktioner kan også beskrives i form af hydrofob (aromatisk) eller hydrofil (alifatisk) struktur, som angiver, om NOM er vandafvisende (hydrofob) eller vandadsorberende (hydrofil).
Funktionalitet/ladning: NOM kan også karakteriseres ved indhold af funktionelle grupper (humus- og fulvinsyrer), som påvirker NOM's (negative) ladningstæthed.
For yderligere at komplicere karakteriseringen kan hydrofob til hydrofil NOM være lav til høj molekylvægt i størrelse, selvom hydrofobe NOM-fraktioner som tommelfingerregel generelt har højere MW.
Ud over NOM-karakteristika vil selve lavtryksmembranegenskaberne sandsynligvis også spille en rolle for, om NOM vil resultere i tilsmudsning eller ej. Variabler såsom membranporestørrelse, overfladeladning og overfladeruhed kan påvirke, om NOM-begroning opstår ved poreblokering, adsorption eller gellagsdannelse.
Så hvad forårsager begroningen??
Med al denne viden om NOM og membraner, må vi være i stand til at udpege hvilke egenskaber der fører til membranbegroning, ikke? Der er blevet udført mange undersøgelser, fra laboratorie til fuld-skala, for at undersøge indvirkningen på membranydelsen af forskellige NOM-fraktioner. Her er en meget kort oversigt over resultaterne af nogle af disse:
Howe og Clark (2006) konkluderede, at det er den opløste og kolloide fraktion af NOM i størrelsesområdet 100 kDa til 1 µm, der er ansvarlig for det meste af membranbegroningspotentialet. Denne højere MW-fraktion af NOM fjernes ved koagulering og antages at være mere hydrofob og mere sur.
Yamamura et al. (2008) og Lee et al. (2004) identificerede, at den hydrofile fraktion af NOM giver et større bidrag til membranforurening end hydrofobe humusstoffer. Lee et al. konkluderede også, at makromolekyler af hydrofil karakter (f.eks. polysaccharider) og/eller kolloidt organisk stof i den hydrofile NOM-fraktion kan tilsmudse lavtryksmembraner. Det er interessant at bemærke, at for den teknik, Lee brugte til at isolere de polære fraktioner af NOM, ender organiske kolloider også i den hydrofile fraktion. Dette kan være grunden til, at der foretages nogle generaliseringer om, at hydrofil NOM er ansvarlig for membranbegroning, når denne isoleringsteknik anvendes, mens det kolloide materiale faktisk kan være ansvarligt for begroningen.
Større fluxfald blev set af Lee et al. under mikrofiltrering (MF) sammenlignet med ultrafiltrering (UF), hvor MF-tilsmudsning var forårsaget af poreblokering af de større makromolekyler og organiske kolloider, mens for UF (som har mindre porer) var fluxfaldet forårsaget af gellagsdannelse, som lettere vendes end poreblokering. Interessant nok blev hydrofobe/hydrofile egenskaber af membranerne fundet at have minimal indvirkning på membranbegroning.
Beviset er i piloten...
Hvorfor er der så mange forskellige konklusioner om, hvilke fraktioner af NOM der er ansvarlige for membranbegroning? Er det fordi membranforurening skyldes en kombination af NOM og membranegenskaber, der ikke er blevet set på samtidigt, eller er der en anden egenskab, der endnu ikke er blevet identificeret?
Konklusionen er, at alle de kritiske variabler er blevet identificeret, men ingen har endnu (i hvert fald så vidt jeg har fundet) set på alle disse i den ene undersøgelse. Arbejdet udført af Lee et al. kommer tættest på. Forskellige fraktioner af NOM har forskellige indvirkninger på membraner med forskellige egenskaber. Det opstiller en ret kompleks forskningsmatrix. Hvis du ser på membranbehandling for en bestemt vandkilde, har du i det mindste kun et sæt NOM-variabler at evaluere.
Desværre er vi ikke på det punkt, hvor vi tilstrækkeligt kan fingeraftrykke NOM'en i en vandkilde for at kunne forudsige begroningspotentialet for en specifik membrantype. Dette vil kun blive fastslået ved forsøg og fejl på et kontinuerligt drevet pilotanlæg. Man vil være vildledt til at sigte efter et mål for total NOM-fjernelse som behandlingsmål, når man vælger en forbehandlingsproces uden også at se på begroningsegenskaberne for den specifikke NOM i membranfødevandet.
Referencer
1. Howe, K; Clark, M; "Effect of coagulation pretreatment on membrane performance", Journal AWWA, april 2006.
2. Yamamura, H; Kimura, K; Okajima, T; Tokumoto, H; Watanabe, Y; "Affinity of Functional Groups for Membrane Surfaces: Implications for Physically Irreversible Fouling", Environmental Science & Technology, Vol. 42, No. 14, 2008.
3. Lee, N; Amy, G; Croue, J; Buisson, H; "Identifikation og forståelse af begroning i lav-trykmembran (MF/UF) filtrering af naturligt organisk stof (NOM)", Water Research 38 (2004), 4511-4523.
