NF on suhteellisen uusi kalvofiltrausteknologia, joka kaupallistettiin 1970-luvun alussa. NF-kalvo kehitettiin RO-kalvosta ja sitä kutsutaan usein avoimeksi tai löysäksi RO:ksi. NF:n huokoskoko sijaitsee UF:n ja RO:n välillä. Tämän vuoksi NF pystyy poistamaan osan ioneista sekä kaikki makromolekyylit, suspendoituneet kolloidit ja nanohiukkaset syöttövedestä. NF:llä on rajallinen kyky estää yksivalenttisten ionien, kuten natriumkloridin, kulkeutumista (0–70 %), mutta se on erittäin tehokas monivaltenttisten ionien (>99 %), erityisesti anionien kuten sulfaattien (SO₄²⁻) ja fosfaatin (PO₄³⁻), poistamisessa. Yksi NF:n tärkeimmistä käyttökohteista vedenpuhdistuksessa on kovien vesien pehmentäminen teollisiin ja kotitalouskäyttöihin. NF-prosessia käytetään myös juomaveden puhdistuksessa, erityisesti poistamaan desinfiointituotteiden esiastetta, kuten luonnollisia orgaanisia aineita. Lisäksi NF voi toimia yhdessä muiden kalvoprosessien kanssa veden puhdistuksessa, mikä vähentää käyttöön liittyviä kustannuksia.

Membraanien kokoonpano on tärkeä osa vedenpuhdistuksessa käytettäviä kalvoteknologioita. Membraanit järjestetään usein erilaisiin kokoonpanoihin, joita kutsutaan moduuleiksi. Yleisimmät kokoonpanot paineen alla toimiville kalvoille ovat levy- ja runkokokoonpano, tyhjiöpäärakokoonpano, putkikalvo ja spiraaliwound-kokoonpano. Levy- ja runkokokoonpano on yksinkertaisin kokoonpano, joka koostuu tasaisista kalvopapereista, tukilevyistä ja välikappaleista. Kalvon läpi kulkeva vesi kerätään tukilevyjen kanaviin. Tyhjiöpäärakokoonpano puolestaan koostuu sadoista tai jopa tuhansista tyhjiöpäistä, joiden halkaisija vaihtelee 0,1–1 mm, ja jotka on asennettu paineastiaan. Kalvojen sisäpuolelle tai ulkopuolelle johdetaan syöttövesi. Putkikalvo on usein pinnoitettu putken sisäpuolelle, jonka ulkohalkaisija vaihtelee 5–25 mm. Spiraaliwound-kokoonpano, joka on yleisin NF- ja RO-kalvojen käyttömuoto, koostuu kalvoista, syöttövälikappaleista, läpäisyvälikappaleista ja läpäisytorvesta. Vesi kulkee kalvon läpi ja kiertyy puhdistettuna vetenä keskelle läpäisytorveen.

Yksi tärkeimmistä parametreista paineen avulla toimivissa kalvoprosesseissa vedenpuhdistuksessa on virtaus (q), joka määritellään veden virtauksena yksikkökalvon pinta-alaa kohti aikayksikössä (SI-yksikkö: m/s). Vedenkäsittelyssä virtaus voidaan mitata myös litran verran neliömetriä kohti tunnissa (LMH). Paineen avulla toimivat kalvoprosessit toimivat yleensä 10–1000 LMH -virtausnopeudella, joka vaihtelee nettopaineen, kalvon vastuksen ja hydrodynamiikan mukaan. Vedenkäsittelyssä palautumisnopeus säätelee virtausta ja kalvon pinta-alaa. Poikittaisvirtausjärjestelmässä vesivirran (Q) ja tietyn saastuttavan aineen (C) massatasapaino voidaan esittää seuraavilla kaavoilla:

Qin=Qout+QperQ_{in} = Q_{out} + Q_{per}
QinCin=QoutCout+QperCperQ_{in} C_{in} = Q_{out} C_{out} + Q_{per} C_{per}

Missä QinQ_{in} ja CinC_{in}, QoutQ_{out} ja CoutC_{out}, sekä QperQ_{per} ja CperC_{per} vastaavat syöttö-, jätekonsentraatti- ja läpäisyvesivirtoja ja niiden saastumiskeskittymiä. Kalvon kokonaispalautumisnopeus (Rw) ja saastuttavan aineen poiston tehokkuus (Rc) kalvossa voidaan määrittää seuraavilla kaavoilla:

Rw=QperQinRw = \frac{Q_{per}}{Q_{in}}
Rc=(1−CperCin)Rc = \left(1 - \frac{C_{per}}{C_{in}}\right)

Käytännössä käyttöolosuhteita tulisi optimoida siten, että sekä Rw että Rc ovat mahdollisimman lähellä ykköstä. Poikittaisvirtausjärjestelmissä Rw-arvot ovat yleensä pienempiä kuin ykkönen, ja Rc-arvot kohdennettujen saastuttavien aineiden osalta ovat yleensä lähellä ykköstä. Kalvon Rc-arvo heijastaa sen valikoivuutta eri saasteiden suhteen vedessä, missä ykkönen tarkoittaa täydellistä erottelua ja nolla tarkoittaa erottelun puutetta.

Kalvon hajoaminen tai tukkeutuminen voi vaikuttaa näihin arvoihin ja siten kalvon suorituskykyyn. Kalvon suodatuskyvyn heikentyminen voi johtaa virtausnopeuden laskuun ja saastuttavien aineiden erottelukyvyn heikkenemiseen. Kalvon läpi kulkeva paine-ero on virran ajovoima MF-, UF-, NF- ja RO-suodatusprosesseissa. Koska kalvon virtaus on kontrolloitu ajovoimalla, on tärkeää ymmärtää niiden suhde virtauksen ja massansiirron mallintamisessa kalvoprosesseissa. Poroskalvojen, kuten MF ja UF, virtaus voidaan mallintaa ohuina huokoisina materiaaleina, joissa virtaus voidaan kuvata Hagen–Poiseuille-kaavalla:

Qp=πr4Δp8μLmQ_p = \frac{\pi r^4 \Delta p}{8 \mu L_m}

Missä QpQ_p on huokosvirtaus, rr on huokosen säde, Δp\Delta p on paine-ero kalvon molemmin puolin, μ\mu on viskositeetti ja LmL_m on kalvon paksuus. Virtausnopeus voidaan laskea myös suhteessa kalvon huokoisuuteen ja paineeroon. Reaaliaikaisessa käytössä kalvojen huokoset ovat usein heterogeenisiä ja epäsäännöllisen muotoisia, ja virtaus saattaa vaikuttaa myös muiden fysikaalisten ja kemiallisten tekijöiden, kuten pintakemian, elastisuuden ja huokosrakenteen, kautta.

Tämä yksinkertaistettu malli auttaa ymmärtämään kalvon toiminnan perusperiaatteet ja virtausmekaniikat vedenpuhdistusprosessien kehittämisessä.

Kuinka hiukkasten suodatus vesikäsittelyssä vaikuttaa nanopartikkelien poistamiseen?

Granulaarisen suodatinmateriaalin käyttö veden puhdistuksessa on olennainen osa useiden suodatusprosessien järjestelmää. Erityisesti hiekkasuodattimia pidetään kustannustehokkaina ja käytännöllisinä, kun tarvitaan tehokasta nanopartikkelien (ENP) poistoa vedestä. Tämä prosessi perustuu fysikaalis-kemiallisiin vuorovaikutuksiin, jotka ilmenevät hiukkasten suodattamisessa hiekka- tai muissa kiinteissä suodattimissa. Yksi keskeisimmistä teorioista, joka selittää suodatusprosessin toimintaa, on klassinen kolloidisuodatusoppi, joka muodostaa pohjan nykyaikaiselle suodatussuunnittelulle.

Perinteinen kolloidisuodatusoppi, joka tunnetaan myös nimellä puhdas-patjojen suodatusoppi, kehitettiin ensimmäisen kerran Yao et al. (1971) toimesta. Sen perusperiaatteena on ennustaa kolloidien talteenottoaste kiinteäpatjassa olevan hiekkasuodattimen eri fysikaalis-kemiallisissa olosuhteissa. Tässä teoriassa oletetaan, että yksittäisten hiekansiemenien poisto tehokkuus voidaan johtaa suoraan niiden kyvystä kerätä hiukkasia vedestä.

Suodatusprosessin mallintamisessa voidaan tarkastella hiekkaa kuin kokoonpanoa, joka koostuu useista yksittäisistä keräimistä. Koko suodattimen tehokkuus määräytyykin tämän yksittäisen keräimen tehokkuuden perusteella. Tämä lähestymistapa tunnetaan yksittäisen keräimen tehokkuusperiaatteena. Tärkeä tekijä tässä teoriassa on, että oletetaan kaikkien suodattimen keräimien olevan identtisiä ja että suodatusprosessi jakautuu kahteen itsenäiseen vaiheeseen: hiukkaset tekevät ensin kosketuksen keräimeen ja sen jälkeen joko kiinnittyvät tai irtoavat siitä.

Yksittäisen keräimen tehokkuus voidaan jakaa kahteen päätekijään: ensimmäinen on keräimen kosketustehokkuus (𝜂0) ja toinen on kiinnittymistehokkuus (α). Näiden tekijöiden yhteisvaikutuksesta voidaan arvioida, kuinka tehokkaasti partikkeleita poistetaan suodattimesta. Kokeellisessa tutkimuksessa on todettu, että esimerkiksi pienet nanopartikkelit, kuten nanomateriaalit, ovat alttiimpia diffuusiolle, kun taas suuremmat kolloidihiukkaset poistuvat tehokkaammin muiden prosessien, kuten sedimentaation, kautta.

Yksittäisten keräinten tehokkuuslaskelmien tarkentamiseksi käytetään Happelin kupliin perustuvaa mallia, joka ottaa huomioon ympäröivän nesteen liikkeet ja poroiden vaikutuksen. Tämä malli parantaa analyysiä, mutta on myös tärkeää huomata, että todellisissa olosuhteissa tämä malli saattaa olla liian yksinkertaistettu, eikä se välttämättä täysin vastaa luonnollisten prosessien monimutkaisuutta. Tämä asettaa haasteita, kun pyritään kehittämään tarkempia ennusteita ja tehokkaampia suodatusmenetelmiä.

Suodatusprosessin tarkentaminen vaatii myös ymmärrystä siitä, kuinka nanopartikkelit vuorovaikuttavat suodattimien pintojen kanssa. Tämä vuorovaikutus on usein määritettävissä Londonin-Van der Waalsin voimilla, ja se vaikuttaa oleellisesti nanopartikkelien kiinnittymiseen keräimiin. Tämän lisäksi erityisesti vesiekosysteemeissä on tärkeää huomioida veden virtausnopeus ja partikkeleiden keskinäiset vuorovaikutukset suodattimen rakenteen sisällä, mikä tuo lisää monimutkaisuutta prosessin ennustamiseen.

Vedenkäsittelytekniikoiden kehittäminen vaatii jatkuvaa tutkimusta ja uusien suodatusratkaisujen kehittämistä. Suodatusprosessien optimoimiseksi ympäristöinsinööreillä on tärkeä rooli, sillä he voivat hyödyntää yksittäisten keräinten tehokkuuden periaatteita ja soveltaa niitä käytäntöön kestävämmällä ja tarkemmalla tavalla. Nanopartikkelien poisto vedestä on kuitenkin monivaiheinen prosessi, jossa monet tekijät vaikuttavat lopulliseen suodatuskykyyn, ja näitä tekijöitä on syytä tarkastella koko prosessin ajalta, alkaen alun koagulaatiosta ja flokkulaatiosta aina suodatusvaiheeseen saakka.

Vedenkäsittelyn tehokkuuden parantaminen vaatii kokonaisvaltaista lähestymistapaa, jossa suodatusprosessin ymmärtäminen ja jatkuva innovointi mahdollistavat paremman suodatussuunnittelun ja uusien, entistä tehokkaampien teknologioiden käyttöönoton.

Miten minä иn seikkaillessani tunnen toisten elävän elämäni puolestani?
Miten Snowflake muuttaa nykyaikaista pilvianalytiikkaa ja mitä tulisi ymmärtää sen tehokkaasta käytöstä?
Miten kehon eri elimet osallistuvat erittämiseen ja niiden rooli aineenvaihdunnassa?
Miten presidentit reagoivat skandaaleihin ja mitä tämä kertoo vallasta Yhdysvalloissa?
Miten laskea etäisyyksiä ja tunnistaa törmäyksiä murtuvan padon simulaatiossa?