Μελέτη απομάκρυνσης παρασιτοκτόνων από πόσιμο νερό με διεργασίες μεμβρανών

Abstract

The scope of this dissertation is to improve our knowledge on the capability of membranes to retain pesticide residues from potable water. More specifically, a systematic study was performed on key factors affecting pesticide permeation through membranes. Emphasis was placed on the effect of membrane fouling, caused by natural organic material (NOM), on pesticide rejection. Regarding pressure-driven membrane processes, the focus was on the cost-effective ultra low-pressure reverse osmosis (ULP-RO) and nanofiltration (NF) membranes, which operate at relatively low pressure and rather high membrane flux. Experiments were carried out in stirred dead-end and cross flow filtration systems using three selected herbicides (atrazine, isoproturon, prometryn) and five commercial NF/ULP-RO membranes. Retention of membranes in the presence of natural organic matter, or by membranes fouled with NOM, was examined by using four different types of well-characterized humic substances (HS). The effect of ionic environment on the retention of herbicides was examined by controlling sodium and calcium concentration. Experiments show that the choice of the membrane is crucial; i.e. tight and thus high-desalting membranes exhibit the best retention performance. On the other hand, the retention efficiency of relatively loose NF membranes appears to be significantly influenced by the characteristic properties of the solutes and their adsorption on the membrane. Filtration experiments with saline solutions reveal the significant effect of divalent cations on herbicide retention. The combined filtration of herbicides with different types of HS, in the presence or absence of calcium ions, results, in most cases, in increased retention values due to the formation of HS-herbicides complexes. The extent of membrane fouling, depending on the nature and the relative concentration of HS as well as the presence of calcium, results in considerable changes of the membrane surface characteristics, which in turn significantly affect the retention of the tested herbicides. Crossflow experiments show that solute retention is also influenced by membrane operating conditions. In general, an increase in retention is observed with increasing feed pressure and/or crossflow velocity. This observation is in line with the solution-diffusion theory, indicating that diffusion across the membrane is one of the main mechanisms for solute permeation of the selected herbicides.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η συστηματική μελέτη των παραγόντων που μπορούν να επηρεάσουν την απομάκρυνση των γεωργικών φαρμάκων κατά την επεξεργασία του πόσιμου νερού με διεργασίες μεμβρανών. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στις σύγχρονες μεμβράνες νανοδιήθησης (nanofiltration, NF), οι οποίες επιτρέπουν τη μερική αφαλάτωση του νερού σε συνδυασμό με την επίτευξη υψηλών βαθμών απομάκρυνσης φυσικών και συνθετικών οργανικών ρυπαντών. Ο κατάλληλος σχεδιασμός μονάδων NF για την απορρύπανση του νερού από φυτοφάρμακα απαιτεί την πληρέστερη κατανόηση των φαινομένων που λαβαίνουν χώρα κατά το διαχωρισμό. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε η μεταβολή της απομάκρυνσης επιλεγμένων ζιζανιοκτόνων ως αποτέλεσμα α) της συνδυασμένης διήθησης αραιών διαλυμάτων δύο και τριών ζιζανιοκτόνων, β) του pH του διαλύματος τροφοδοσίας, γ) της αυξημένης ιοντικής ισχύος των υδατικών διαλυμάτων αλλά και του είδους των διαλελυμένων αλάτων, δ) της παρουσίας φυσικών οργανικών υλικών, ε) της ρύπανσης των μεμβρανών από χουμικά συστατικά και στ) των λειτουργικών χαρακτηριστικών ενός συστήματος μεμβρανών (ανηγμένη ροή παραγόμενου νερού, εγκάρσια ταχύτητα νερού τροφοδοσίας). Για τους σκοπούς της έρευνας επιλέχτηκαν πέντε εμπορικοί τύποι μεμβρανών NF και χαμηλής πίεσης αντίστροφης ώσμωσης (ULP-RO) και τρία ζιζανιοκτόνα (atrazine, prometryn, isoproturon). Η μελέτη της επίδρασης των φυσικών οργανικών συστατικών στην απομάκρυνση των ζιζανιοκτόνων έγινε με τη χρήση τεσσάρων πρότυπων χουμικών ουσιών. Τέλος, τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια πειραματικών διατάξεων α) κατά μέτωπο ροής και β) εγκάρσιας ροής. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μεμβράνες NF και ULP-RO επιτρέπουν, υπό κατάλληλες συνθήκες, τη σχεδόν ολοκληρωτική απομάκρυνση των ζιζανιοκτόνων από το νερό. Η αποδοτικότητά τους βρέθηκε πως εξαρτάται από το είδος και τα χαρακτηριστικά των χρησιμοποιούμενων μεμβρανών αλλά και από τις ιδιότητες των επιλεγμένων ζιζανιοκτόνων. Τα χαρακτηριστικά φόρτισης και υδροφοβικότητας των μεμβρανών συνδέονται με το βαθμό προσρόφησης των ζιζανιοκτόνων σε αυτές, ο οποίος με τη σειρά του επηρεάζει τον τελικό βαθμό απομάκρυνσής τους. Τα παραπάνω ευρήματα δικαιολογούν την άποψη ότι οι μεταβολές στα επιφανειακά χαρακτηριστικά των μεμβρανών επηρεάζουν σημαντικά την απομάκρυνση των ζιζανιοκτόνων. Η επίδραση αυτή μπορεί να οφείλεται σε μεταβολές στη σύσταση του διαλύματος τροφοδοσίας, στις συνθήκες λειτουργίας, ή ακόμα και στη ρύπανση των μεμβρανών.