Màng lọc nano (NF) ngày càng trở nên quan trọng trong xử lý nước tiên tiến nhờ khả năng loại bỏ chất hữu cơ, ion cứng và chất gây ô nhiễm. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động lâu dài, hệ thống NF thường phải đối mặt với tình trạng suy giảm từ thông nhanh chóng, yêu cầu vệ sinh thường xuyên hơn và chu kỳ hoạt động bị rút ngắn. Nguyên nhân sâu xa nằm ở tính chất phức tạp và phát triển nhanh chóng- của tình trạng tắc nghẽn màng. Mặc dù nước tự nhiên chứa nhiều loại chất có thể góp phần gây tắc nghẽn, nhưng các nghiên cứu-quy mô kỹ thuật tiết lộ rằng yếu tố quyết định thực sự của tiến trình tắc nghẽn không phải là chất hữu cơ, độ cứng hoặc độ đục thường bị nghi ngờ mà lànhômvà các chất bẩn tổng hợp mà nó tạo thành cùng với canxi, silic và chất hữu cơ.
Lớp hoạt động của màng NF thường mang điện tích bề mặt âm và chứa các nhóm chức năng như nhóm carboxyl. Những đặc điểm này làm cho màng rất dễ bị hấp phụ các ion kim loại tích điện dương hoặc tạo thành phức tạp-, trong đó nhôm là một trong những chất phản ứng mạnh nhất. Ngay cả khi nồng độ của nó trong nước cấp thấp, nhôm có thể tích tụ nhanh chóng trên bề mặt màng, tạo thành lớp bám bẩn ban đầu gây ra các cấu trúc bám bẩn phức tạp và dày đặc hơn. Khi hoạt động tiếp tục, nhôm tương tác với chất hữu cơ, silica và canxi để tạo ra các phản ứng bắc cầu hoặc tạo phức khác nhau. Những tương tác này biến đổi sự tắc nghẽn từ-sự lắng đọng điểm ở giai đoạn đầu sang lớp gel-có diện tích lớn giúp tăng đáng kể lực cản thủy lực, đẩy nhanh quá trình suy giảm dòng thông thường và cuối cùng rút ngắn chu trình làm sạch.
Nhìn kỹ hơn vào thành phần của các lớp cặn bẩn cho thấy rằng trong khi carbon hữu cơ, canxi và silica là những thành phần phổ biến thì nhôm luôn chiếm vai trò trung tâm. Các chất hữu cơ tự nhiên như axit humic và axit fulvic có xu hướng hình thành phức chất với các ion kim loại và canxi có thể đóng vai trò là chất bắc cầu liên kết các hợp chất hữu cơ. Khi nhôm tham gia vào các phản ứng này, lớp cặn bẩn tạo thành sẽ trở nên rắn chắc hơn và bám dính mạnh hơn. Theo thời gian, khả năng chống bám bẩn chuyển từ trạng thái lắng đọng đơn giản sang khả năng kháng lớp-gel và sự bám bẩn bên trong không thể khắc phục được mà không thể loại bỏ chỉ bằng cách xả vật lý. Sự phát triển này làm tăng tốc độ bám bẩn và khiến màng bị suy giảm hiệu suất nhanh chóng.
Tầm quan trọng của nhôm được minh họa rõ hơn bằng mối tương quan chặt chẽ của nó với độ dài chu kỳ hoạt động của NF. Phân tích thống kê dữ liệu vận hành dài hạn-cho thấy tốc độ bám bẩn, được phản ánh qua khoảng thời gian của mỗi chu kỳ lọc, có mối tương quan mạnh nhất với nồng độ nhôm trong nước cấp-cao hơn nhiều so với TOC hoặc độ cứng. Khi nồng độ nhôm cấp liệu rơi vào khoảng 100–150 ug/L, chu kỳ hoạt động của hệ thống NF trở nên rất ngắn. Tuy nhiên, khi nhôm giảm xuống dưới 50 ug/L, chu kỳ hoạt động của màng có thể được kéo dài hơn gấp đôi. Điều này chứng tỏ rằng nhôm không chỉ đơn thuần là một thành phần gây ô nhiễm; nó là mộtyếu tố gây ô nhiễm thực sự{0}}xác định thời điểm màng bước vào giai đoạn tắc nghẽn nhanh chóng.
Bởi vì hầu hết nhôm có nguồn gốc từ các hóa chất đông tụ được sử dụng trong tiền xử lý-chẳng hạn như PAC hoặc phèn-, việc giảm nồng độ dư của nó là rất quan trọng đối với sự ổn định của NF. Trong số tất cả các biện pháp kiểm soát, việc điều chỉnh độ pH của nước cấp-là đơn giản và hiệu quả nhất. Sự hình thành nhôm trong nước phụ thuộc nhiều vào độ pH-. Trong phạm vi pH từ 6,5–7,0, hiệu quả đông tụ được cải thiện đáng kể và nhôm chủ yếu tồn tại ở dạng polyme, dễ loại bỏ hơn nhiều thông qua quá trình lắng hoặc siêu lọc. Điều này làm giảm đáng kể nồng độ nhôm{10}polyme hòa tan hoặc thấp đến hệ thống NF. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi pH thức ăn được điều chỉnh đến 6,5–7,0, lượng nhôm dư giảm xuống khoảng 25–48 ug/L, mang lại lợi thế đáng kể trong hoạt động NF tiếp theo.
Sự cải thiện nhờ giảm nhôm có thể được quan sát rõ ràng trong quá trình vận hành thực tế. Trong các điều kiện từ thông và phục hồi giống hệt nhau, nước cấp nhôm-cao gây ra sự suy giảm từ thông nhanh chóng, trong khi nước cấp nhôm-thấp dẫn đến sự phân rã từ thông chậm hơn nhiều. Đường cong bám bẩn trở nên phẳng hơn đáng kể, phản ánh hiệu suất màng ổn định hơn. Điều này không chỉ kéo dài chu trình vận hành mà còn giảm tần suất làm sạch bằng hóa chất, chi phí hóa chất và độ phức tạp trong vận hành tổng thể.
Tóm lại, sự tắc nghẽn trong hệ thống lọc nano không phải do một chất gây ô nhiễm duy nhất mà do cấu trúc hỗn hợp tập trung vào nhôm và được gia cố bằng canxi, chất hữu cơ và silica. Nhôm đóng nhiều vai trò-khởi động, tăng tốc và bắc cầu cho các phản ứng bám bẩn-khiến nhôm trở thành yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tỷ lệ bám bẩn NF. Bằng cách tối ưu hóa các điều kiện đông tụ, kiểm soát liều lượng chất đông tụ và duy trì độ pH-của nước cấp trong khoảng từ 6,5 đến 7,0, người vận hành có thể giảm đáng kể dư lượng nhôm và giảm thiểu tắc nghẽn màng tại nguồn. Cách tiếp cận này kéo dài đáng kể chu trình hoạt động của màng NF và nâng cao tính ổn định tổng thể cũng như hiệu quả chi phí-của các hệ thống xử lý nước tiên tiến.
