A comparison between SiC and ZrO2 membranes in industrial tent washing machine wastewater treatment

This study will compare the performance of two different ceramic membranes, a silicon carbide membrane (SiC) and a zirconia membrane (ZrO2), on the treatment of a wastewater rich in synthetic fibers coming from a washing machine designed for industrial tents, with the scope to recycle the water in the same laundry. The role of industrial tent laundering in microplastic pollution and the possibility to reduce energy consumption and saving water by reusing the laundry wastewater will be investigated. First the filtration of artificial water with designed nylon fibers will be performed, then the filtration of the wastewater coming from the first cycle of the washing of industrial tents will occur. The water from the washing machine will be studied to analyze its physical-chemical parameters, including microplastics in the shape of fibers (polyvinyl-chloride). The ZrO2 membrane results to have a denser selective layer and a smaller diameter of the pores: the D50 (mean pore size) for SiC membrane is 247.2 nm while for ZrO2 is 42.6 nm, hence the SiC membrane is a microfiltration membrane while the ZrO2 is a ultrafiltration membrane. Testing the membranes with 0.25 g/L of designed microplastics (with length of 1000, 700 and 500 μm, equally mixed) in RO water, no loss of flux nor of permeability was observed. With smaller microplastics in a lower concentration (0.18 g/L of designed microplastics with 80 μm average length), only the SiC membrane exceeded the critical flux, in fact a loss of flux and of permeability was observed. When the unit was run with wastewater it was possible to calculate the critical flux, that for SiC is 100 L/m²/h, while for ZrO2 is 55 L/m²/h. The back-flush time for the ZrO2 membrane is 1 hour, while for the SiC membrane is 20 minutes. The unit was set for long term filtration and the SiC membrane manifested a higher decrease of permeability with respect with the ZrO2 membrane: the SiC membrane permeability decreased of the 42.85% while the one of the ZrO2 decreased of the 23.07%. The quality of water improved with better efficiencies for the ZrO2 membrane: Turbidity was reduced by the 95% in the SiC permeate and by the 99.5% in the ZrO2 permeate. Total Suspended Solids were removed with 76.3% efficiency by the SiC membrane and with 95.9% efficiency by the ZrO2, while VSS was removed with 79% efficiency by the SiC and with 100% by the ZrO2 membrane. The SiC membrane removed 98.5% of microplastics from the laundering wastewater while the ZrO2 removed the 99.2%. This means that the ZrO2 membrane will capture solid particles with a smaller sizes. In conclusion, as this study suggests, the ZrO2 membrane will require less maintenance to restore the original flux, being more long-lasting, and will guarantee a highest selectivity in this treatment application and so a better water quality.

Questo studio confronterà le prestazioni di due membrane ceramiche, una membrana con strato selettivo in carburo di silicio (SiC) e una membrana con strato selettivo in zirconia (ZrO2), sul trattamento di un refluo ricco di fibre sintetiche proveniente da una lavatrice progettata per tende industriali, con lo scopo per riciclare l'acqua nella stessa lavanderia. Verrà studiato il ruolo del lavaggio di tende industriali nell'inquinamento da microplastiche e la possibilità di ridurre i consumi energetici e risparmiare acqua riutilizzando le acque reflue della lavanderia. Verrà eseguita una prima filtrazione di acqua artificiale contenente fibre di nylon di lunghezza stabilita e a determinate concentrazioni, quindi avverrà la filtrazione delle acque reflue reali provenienti dal primo ciclo di lavaggio delle tende industriali. L'acqua della lavatrice sarà studiata per analizzarne i parametri fisico-chimici, comprese le microplastiche sotto forma di fibre (polivinilcloruro). La membrana ZrO2 risulta avere uno strato selettivo più denso e un diametro dei pori minore: la D50 (dimensione media dei pori) per la membrana SiC è 247,2 nm mentre per la membrana in ZrO2 è 42,6 nm, quindi la membrana SiC rientra nel range di microfiltrazione mentre la ZrO2 è una membrana di ultrafiltrazione. Testando le membrane con 0,25 g/L di microplastiche progettate (con lunghezza di 1000, 700 e 500 μm, ugualmente miscelate) in acqua distillata, non è stata osservata alcuna perdita di flusso né di permeabilità. Con microplastiche più piccole in una concentrazione inferiore (0,18 g/L di microplastiche progettate con una lunghezza media di 80 μm), solo la membrana SiC ha superato il flusso critico, infatti è stata osservata una perdita di flusso e di permeabilità. Con il test di filtrazione delle acque reflue reali è stato possibile calcolare il flusso critico, che per la membrana in SiC è di 100 L/m²/h, mentre per quella in ZrO2 è di 55 L/m²/h. Il tempo di controlavaggio per la membrana in ZrO2 è stato calcolato ed è pari a 1 ora, mentre per la membrana in SiC è pari a 20 minuti. E' stata effettuata la filtrazione a lungo termine delle acque reflue in condizioni ottimali di flusso e di tempi di controlavaggio: la membrana in SiC ha manifestato una riduzione di permeabilità più accentuata rispetto alla membrana in ZrO2, infatti la permeabilità della membrana in SiC è diminuita del 55,5% mentre quella della membrana in ZrO2 è diminuita del 23,07%. La qualità dell'acqua è migliorata con migliori efficienze per la membrana in ZrO2: la torbidità è stata ridotta del 95% nel permeato della membrana in SiC e del 99,5% nel permeato di ZrO2. I solidi sospesi totali sono stati rimossi con un'efficienza del 76,3% dalla membrana in SiC e con un'efficienza del 95,9% da quella in ZrO2, mentre il VSS è stato rimosso con un'efficienza del 79% dalla membrana in SiC e con il 100% da quella in ZrO2. La membrana in SiC ha rimosso il 98,5% delle microplastiche dalle acque reflue di lavaggio mentre quella in ZrO2 ha rimosso il 99,2%. Ciò significa che la membrana ZrO2 catturerà particelle solide di dimensioni inferiori. In conclusione, come suggerisce questo studio, la membrana ZrO2 essendo meno soggetta al fenomeno di "fouling" richiederà meno manutenzione per ripristinare il flusso originale ed essendo una membrana di ultrafiltrazione raggiunge una più elevata selettività in questa applicazione, garantendo una migliore qualità dell'acqua filtrata.