Questo fenomeno provoca delle forze di trascinamento associati a fenomeni secondari, come microstreamer, e onde d'urto che rimuovono le particelle che si accumulano. Dunque, gli US migliorano il flusso di permeato e forniscono una pulizia continua, inoltre migliorano la rimozione della materia organica naturale (NOM), la disinfezione e degradano alcuni contaminanti emergenti \cite{Naddeo_2014} \cite{Naddeo_2013}e sono molto efficienti per la bonifica di sedimenti contaminati \cite{Fraiese_2020}.
La ricerca oggetto di studio ha perseguito l’obiettivo di valutare le capacità di riduzione della formazione del fouling tramite l’ultrafiltrazione delle acque superficiali associato all’uso di US e successivamente di valutare i danni causati alla membrana.
Caso Studio
In questo studio è stata utilizzata l’acqua raccolta dal lago Washington, negli Stati Uniti e le prove sono state effettuate con una membrana a fibra cava in polisulfone (materiale termoplastico) con una superficie effettiva di 8.48cm2, le cui fibre sono state racchiuse in un tubo di vetro. La membrana è stata immersa in un bagno ad US contenente 8l di acqua e sottoposto a frequenze di 45kHZ, con un ingresso di potenza elettrica di 800W, ottenendo una densità specifica di US di 5W/l. \cite{Naddeo_2014}
Sono stati analizzate le due tipologie di funzionamento: cross-flow con ricircolo e dead-end. Inoltre, sono state considerate le modalità di irradiazione continua e intermittente e gli esperimenti sono durati da 1 a 4 ore con controllo della temperatura.
Le prove sono state regolate in modo da fornire un flusso di permeato costante di 150L/m2h e per poter considerare come indicatore dell’incrostazione della membrana la TMP (Pressione di Transmembrana) necessaria affinché si mantenga il flusso desiderato.
Infine, dopo ogni prova le membrane sono state pulite e sono state sottoposte a dei test per capire quali danni fossero stati causati dagli US e per valutare il potenziale riutilizzo.
Risultati
Sono stati analizzati e discussi 3 casi.
- Ultrafiltrazione con US intermittenti: è stato condotto un test in modalità dead-end senza US per confrontalo con il test con US intermittenti applicati per due periodi di 20min separati da un periodo di 20min con US spenti. Per il primo caso la TMP è aumentata costantemente, mentre per il secondo test è stato osservato che per i primi minuti la crescita di TMP era inferiore rispetto al caso senza US, poi nei successivi 20min la TMP è aumentata come per il caso senza US e per gli ultimi 20min la TMP all’inizio ha avuto un calo e poi si è stabilizzata. Questo mostra come la filtrazione combinata con US ha migliori prestazioni per le membrane pulite, mentre per quelle che presentano già un’incrostazione non si riesce a recuperare la TMP iniziale, che indica un’incrostazione irreversibile che non può essere recuperata. Questo aspetto è stato maggiormente evidenziato facendo una prova di 3 cicli con 30minuti US on /30 minuti US off.
- Ultrafiltrazione con US continui: la modalità di filtrazione è dead-end e l’aumento di TMP è stato più graduale e con pendenza minore rispetto alla prova senza US.
- Flusso cross-flow con US: è stata osservata una crescita graduale della TMP, anche se i miglioramenti di prestazione sono stati meno pronunciati rispetto al caso precedente, ma questo può essere dovuto al fatto che, in generale, nella modalità cross-flow le particelle vicino alle pareti vengono tenute in sospensione dalla velocità del flusso.
Per quanto riguarda i danni alla membrana è stato osservato che dopo una prova di 4 ore essa è rimasta intatta e i pori non si sono dilatati, ma la protezione di vetro potrebbe aver contribuito a proteggere la membrana. Per indagare di più su questo risultato, la membrana è stata sottoposta agli US senza la protezione di vetro per test con durata da 1 a 4 ore osservando che la membrana ha mantenuto la sua integrità. Successivamente è stata ancora sottoposta ad un test di 24 ore, dopo la quale si sono manifestati danni sulla superficie. Questo evidenzia che la durata dell’esposizione è un fattore che influenza l’insorgere dei danni sulla membrana. La mancanza di informazioni certe sull'integrità delle membrane dopo la sonicazione e il controllo dell'erosione prodotta da elevate intensità ultrasoniche sono un aspetto limitante.
Conclusioni
Lo studio ha evidenziato come l’irradiazione continua in modalità cross-flow fornisce ottimi risultati in termini di riduzione della formazione del fouling, come dimostrato dalla riduzione di TMP, mentre l’irradiazione intermittente ha permesso lo sviluppo di incrostazioni irreversibili.
L’ultrafiltrazione combinata con gli US trova applicazione in vari campi, ad esempio: Kertész et al. hanno testato questa combinazione per la riduzione del carico organico nel trattamento delle acque reflue casearie\cite{Kert_sz_2016}; i risultati ottenuti da Borea et all. hanno evidenziato l'applicabilità di questo processo combinato per l'upgrading dell'ultrafiltrazione a membrana e come opzione ai tradizionali trattamenti terziari delle acque reflue \cite{Borea_2018}. Altre ricerche stanno focalizzando l’attenzione su processi ibridi che integrano gli US con ultrafiltrazione e adsorbimento \cite{Naddeo_2020}, con l'ozonizzazione \cite{Prado_2017}, con l'elettrocoagulazione che consentono di ottenere una buona efficienza di rimozione di inquinanti dalle acque reflue derivanti dalle concerie \cite{Jallouli_2020} o il processo di ossidazione avanzata (AOPs) che permette un'alta rimozione di contaminati emergenti, in particolare di prodotti farmaceutici dall'acqua e dal suolo \cite{processes} \cite{Naddeo_2020a}.