Le membrane di nanofiltrazione (NF) sono diventate sempre più importanti nel trattamento avanzato dell'acqua grazie alla loro capacità di rimuovere materia organica, ioni di durezza e tracce di contaminanti. Tuttavia, durante il funzionamento a lungo-termine, i sistemi NF spesso devono affrontare un rapido calo del flusso, requisiti di pulizia più frequenti e cicli operativi più brevi. La causa principale risiede nella natura complessa e in rapido sviluppo-dell'incrostazione delle membrane. Sebbene l'acqua naturale contenga un'ampia gamma di sostanze che possono contribuire alla formazione di incrostazioni, studi su scala ingegneristica- rivelano che il vero fattore determinante della progressione delle incrostazioni non è la materia organica, la durezza o la torbidità comunemente sospettate, ma piuttostoalluminioe i fouling compositi che forma insieme a calcio, silice e materia organica.
Lo strato attivo delle membrane NF trasporta tipicamente una carica superficiale negativa e contiene gruppi funzionali come i gruppi carbossilici. Queste caratteristiche rendono la membrana altamente suscettibile all'adsorbimento di ioni metallici con carica positiva o che formano complessi-, di cui l'alluminio è uno dei più reattivi. Anche quando la sua concentrazione nell’acqua di alimentazione è bassa, l’alluminio può accumularsi rapidamente sulla superficie della membrana, formando uno strato iniziale di incrostazioni che innesca strutture di incrostazione più complesse e più dense. Man mano che il funzionamento continua, l'alluminio interagisce con la materia organica, la silice e il calcio per produrre varie reazioni di ponte o complessazione. Queste interazioni trasformano le incrostazioni dalla fase iniziale di deposizione-in uno strato di gel su un'ampia-area che aumenta significativamente la resistenza idraulica, accelerando il declino del flusso normalizzato e infine abbreviando il ciclo di pulizia.
Uno sguardo più attento alla composizione degli strati di incrostazione mostra che mentre il carbonio organico, il calcio e la silice sono componenti comuni, l’alluminio occupa costantemente un ruolo centrale. La materia organica naturale come gli acidi umici e fulvici tende a formare complessi con ioni metallici e il calcio può fungere da agente ponte che collega i composti organici. Una volta che l'alluminio partecipa a queste reazioni, lo strato incrostante risultante diventa più compatto e fortemente adesivo. Nel tempo, la resistenza alle incrostazioni passa dalla semplice deposizione alla resistenza dello strato di gel- e alle incrostazioni interne irreversibili che non possono essere rimosse tramite il solo lavaggio fisico. Questo sviluppo accelera il tasso di incrostazione e porta la membrana verso un rapido deterioramento delle prestazioni.
L’importanza dell’alluminio è ulteriormente illustrata dalla sua forte correlazione con la durata del ciclo operativo NF. L'analisi statistica dei dati operativi a lungo-termine mostra che il tasso di incrostazione, riflesso nella durata di ciascun ciclo di filtrazione, ha la correlazione più forte con la concentrazione di alluminio nell'acqua di alimentazione-molto superiore al TOC o alla durezza. Quando la concentrazione di alluminio nell'alimentazione è compresa tra 100 e 150 ug/L, il ciclo operativo del sistema NF diventa molto breve. Tuttavia, quando l'alluminio viene ridotto al di sotto di 50 ug/L, il ciclo operativo della membrana può essere più che raddoppiato. Ciò dimostra che l’alluminio non è semplicemente un componente delle incrostazioni; è unvero fattore-che induce il foulingche determina quando la membrana entra nella fase di rapido fouling.
Poiché la maggior parte dell'alluminio ha origine da sostanze chimiche della coagulazione utilizzate nel pretrattamento,-come PAC o allume,-ridurre la sua concentrazione residua è fondamentale per la stabilità di NF. Tra tutte le misure di controllo, la regolazione del-pH dell'acqua di alimentazione è la più semplice ed efficace. La speciazione dell'alluminio nell'acqua dipende fortemente dal pH-. Nell’intervallo di pH compreso tra 6,5 e 7,0, l’efficienza della coagulazione migliora in modo significativo e l’alluminio esiste prevalentemente in forme polimeriche che sono molto più facili da rimuovere attraverso la sedimentazione o l’ultrafiltrazione. Ciò riduce notevolmente la concentrazione di alluminio disciolto o a basso-polimero che raggiunge il sistema NF. I risultati sperimentali mostrano che quando il pH dell’alimentazione viene regolato a 6,5–7,0, l’alluminio residuo diminuisce a circa 25–48 ug/L, fornendo un vantaggio sostanziale nella successiva operazione NF.
Il miglioramento apportato dalla riduzione dell'alluminio può essere chiaramente osservato durante il funzionamento reale. In condizioni identiche di flusso e recupero, l'acqua di alimentazione ad alto-alluminio provoca un rapido declino del flusso, mentre l'acqua di alimentazione a basso-alluminio porta ad un decadimento del flusso molto più lento. La curva di incrostazione diventa notevolmente più piatta, riflettendo una prestazione della membrana più stabile. Ciò non solo estende il ciclo operativo, ma riduce anche la frequenza della pulizia chimica, i costi dei prodotti chimici e la complessità operativa complessiva.
In sintesi, l’incrostazione nei sistemi di nanofiltrazione non è causata da un singolo contaminante ma da una struttura composita centrata sull’alluminio e rinforzata da calcio, materia organica e silice. L'alluminio svolge molteplici ruoli-avviando, accelerando e collegando le reazioni di incrostazione-rendendolo il fattore più critico che influenza i tassi di incrostazione NF. Ottimizzando le condizioni di coagulazione, controllando il dosaggio del coagulante e mantenendo il pH dell'acqua di alimentazione-tra 6,5 e 7,0, gli operatori possono ridurre notevolmente i residui di alluminio e mitigare l'incrostazione della membrana alla fonte. Questo approccio estende in modo significativo il ciclo operativo delle membrane NF e migliora la stabilità complessiva e l'efficacia in termini di costi-dei sistemi avanzati di trattamento dell'acqua.
