Mechanizm i kontrola zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych

Poniżej pokrótce przedstawię mechanizm i model zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych.

Wyniki badań pokazują, że głównymi czynnikami powodującymi zanieczyszczenie membrany są właściwości materiałów membrany, interakcja pomiędzy materiałami membrany a obrabianą cieczą, stężenie i natężenie przepływu oczyszczanej cieczy itp.

Problem zanieczyszczania membran można skutecznie rozwiązać poprzez poprawę właściwości materiałów membrany i rozsądne zarządzanie dopasowaniem parametrów pomiędzy membraną a uzdatnioną cieczą.

 

01 Zastosowanie technologii membranowej w przemyśle wodociągowo-kanalizacyjnym

 

Ze względu na szerokie zastosowanie membran ultrafiltracyjnych w wodociągach i drenażach, stale rosną opory filtracji spowodowane zanieczyszczeniem membran podczas pracy systemu, szczególnie w obszarze oczyszczania ścieków, i poważne tłumienie filtracji membranowej strumień jest kluczem utrudniającym stosowanie i promocję tej technologii. Celem tego artykułu jest lepsze zrozumienie skutecznego zastosowania technologii membranowej w zaopatrzeniu w wodę i odwadnianiu poprzez podsumowanie czynników kontroli zanieczyszczeń w eksperymencie zanieczyszczenia membraną ultrafiltracyjną.

 

02 Mechanizm i model zanieczyszczenia membran ultrafiltracyjnych

 

2.1 Mechanizm i model zanieczyszczenia

Teoretycznie proces adsorpcji roztworu na powierzchni membrany jest skomplikowany, ponieważ w procesie adsorpcji zawsze występuje konkurencyjna adsorpcja pomiędzy substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem lub pomiędzy składnikami mieszaniny adsorbentu (membrany), więc izoterma adsorpcji roztwór należy obliczyć, mierząc pozorną linię adsorpcji izotermicznej i dodając odpowiednie dane dotyczące adsorpcji pary. Jednak w rzeczywistości z jakościowego punktu widzenia można uznać, że adsorpcja membrany do substancji rozpuszczonej jest ściśle związana z polarnością między nimi, a membrana materiałów polarnych ma tendencję do silnej adsorbcji substancji polarnych, a adsorpcja substancji niepolarnych jest znacznie słabsza. Wręcz przeciwnie, warstwa materiałów niepolarnych z większym prawdopodobieństwem adsorbuje niepolarne substancje rozpuszczone.

Z drugiej strony, zgodnie z zasadą podobnej rozpuszczalności, polarne substancje rozpuszczone łatwo rozpuszczają się w polarnych rozpuszczalnikach, podczas gdy niepolarne substancje rozpuszczone łatwo rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach. Im łatwiej jest go rozpuścić, tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że zostanie zaadsorbowany przez powierzchnię membrany. Podsumowując, jeśli polarność substancji rozpuszczonej jest bliższa rozpuszczalnikowi i przeciwna do membrany, adsorpcja substancji rozpuszczonej na powierzchni membrany jest mniejsza. Z mikroskopowego punktu widzenia trudność adsorpcji na powierzchni membrany i stabilność warstwy adsorpcyjnej są związane z siłą oddziaływania pomiędzy makrocząsteczkową substancją rozpuszczoną, powierzchnią membrany i wielkocząsteczkową substancją rozpuszczoną. Siłę między nimi ogólnie dzieli się na siłę van der Waalsa i siłę podwójnej warstwy.

 

2.1.1 Siły Van der Waalsa

Wielkość siły Van Gogha pomiędzy dwoma ciałami można scharakteryzować stałą proporcjonalności Hamakera H. Dla trójskładnikowego układu wody (1), substancji rozpuszczonej (2) i membrany (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] we wzorze 2, H11, H22 i H33 to stałe Hamakera, odpowiednio wody, substancji rozpuszczonej i membrany. Zmniejszyła się membrana hydrofobowa H33; W przypadku hydrofobowej substancji rozpuszczonej H22 spadło. Obydwa mogą prowadzić do wzrostu H213, zwiększać siłę wentylatora pomiędzy membraną a substancją rozpuszczoną i zwiększać zanieczyszczenie powierzchni membrany. Dlatego zarówno membrany hydrofobowe, jak i substancje rozpuszczone sprawiają, że powierzchnia membrany jest bardziej podatna na zanieczyszczenia.

 

2.1.2 Siła podwójnej warstwy elektrycznej

Kiedy membrana styka się z roztworem, powierzchnia membrany zostanie naładowana w wyniku adsorpcji jonów, orientacji dipola, wiązania wodorowego i innych efektów, a ładunek powierzchniowy może wpływać na rozkład jonów w roztworze w pobliżu powierzchni: jony o różnych ładunkach są przyciągane przez ładunek powierzchniowy i zmierzają do powierzchni membrany; Jony o tym samym ładunku są odpychane przez ładunek powierzchniowy i znajdują się daleko od powierzchni membrany, co powoduje, że jony dodatnie i ujemne w roztworze przy powierzchni membrany oddzielają się od siebie. Jednocześnie ruch termiczny sprawia, że ​​jony dodatnie i ujemne mają tendencję do powrotu do równomiernego wymieszania. W wyniku połączenia tych dwóch przeciwstawnych trendów nadmiar jonów heterosignowych ulega dyfuzji w ośrodku w pobliżu powierzchni naładowanej folii, tworząc podwójną warstwę. Gdy elektryfikacja membrany jest taka sama jak roztworu, adsorpcja zanieczyszczeń jest niewielka. Wręcz przeciwnie, adsorpcja jest większa. Ilość zanieczyszczeń zaadsorbowanych na powierzchni membrany zależy od łącznego wyniku działania dwóch powyższych sił.

 

Model adsorpcji zanieczyszczeń membranowych można wyrazić za pomocą równania adsorpcji Gibbsa i równania adsorpcji Fredricha. Wśród nich równanie adsorpcji Gibbsa koncentruje się na zależności adsorpcji w warunkach izotermicznych:

W przypadku, gdy ciepło adsorpcji zależy od stopnia pokrycia powierzchni, stosuje się równanie Friedricha:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Gdzie, Γ jest zdolnością pochłaniania zanieczyszczeń przez folię na jednostkę powierzchni

k, n to stała korelacji, a c to stężenie równowagowe roztworu

 

03 Kontrola zanieczyszczeń membran

Zgodnie z mechanizmem i modelem adsorpcji zanieczyszczeń membran, zanieczyszczenie membran można kontrolować poprzez regulację następujących czynników: właściwości hydrofilowe materiałów membranowych; Właściwości ładujące materiałów membranowych; Stężenie roztworu leczniczego; Natężenie przepływu płynu leczniczego.

W tym artykule zbadano czynniki wpływu powyższych czterech rodzajów zanieczyszczeń membran za pomocą odpowiednich eksperymentów, w celu poszukiwania kontroli zmian różnych czynników powodujących zanieczyszczenie membran.

 

3.1 Sprzęt i materiały eksperymentalne

Sprzęt użyty w tym eksperymencie obejmuje samodzielnie wykonany ultrafiltr płytowy, samodzielnie wykonany zbiornik cieczy zasilającej, łaźnię wodną o super stałej temperaturze, dozującą pompę obiegową WZJ-II, miernik izotopu C14, skalę ze sprężyną kwarcową, miernik wysokości i tak dalej.

Zastosowane materiały to standardowy roztwór BSA, przygotowany roztwór do fermentacji alkoholowej, polisulfon (PS), polisulfonoamid (PSA), poliakrylonitryl (PAN) i membrana ultrafiltracyjna z płytkami z włókien octanowych o masie cząsteczkowej 30,000.

 

3.2 Przebieg cyklu eksperymentalnego i warunki kontroli

Najpierw membranę ultrafiltracyjną z różnych materiałów dzieli się na bloki w zależności od wielkości i kształtu zbiornika ultrafiltracyjnego i moczy w czystej wodzie przez 24 godziny, po czym waży się masę mokrej folii. Następnie do zbiornika cieczy zasilającej wlewa się odpowiednio roztwór do fermentacji alkoholowej lub standardowy roztwór BSA o różnych stężeniach przygotowany tą samą metodą. Po procesie następuje cyrkulacja przy stałej temperaturze i ciśnieniu powietrza zgodnie z procesem pokazanym na rysunku 1. Po osiągnięciu równowagi adsorpcyjnej membrany ultrafiltracyjnej wyznacza się masę bloku membrany po osiągnięciu równowagi adsorpcyjnej w celu określenia równowagowej wielkości adsorpcji membrany doświadczalnej blok.

Masę membran standardowego roztworu BSA i roztworu do fermentacji alkoholowej oznaczono odpowiednio metodą izotopową C14 oraz wagą sprężyn kwarcowych i miernikiem wysokości. Natężenie przepływu cieczy zasilającej jest kontrolowane przez zawór regulacyjny i pompę pomiarową i mierzone za pomocą stopera i cylindra pomiarowego. Wartość pH roztworu do fermentacji alkoholowej zmierzono za pomocą pehametru PHB-4 i skorygowano odpowiednio za pomocą 1 N roztworów HCl i NaOH.

 

3.3 Wyniki eksperymentów i dyskusja

3.3.1 Eksperyment dotyczący hydrofilowości materiałów membranowych

Wybraliśmy najbardziej reprezentatywny hydrofilowy materiał membranowy do ultrafiltracji z włókien octanowych (CA) i najbardziej reprezentatywny hydrofobowy materiał membranowy do ultrafiltracji z polisulfonu (PS) do przeprowadzenia eksperymentu porównawczego testu adsorpcji równowagowej w standardowym roztworze BSA i zmierzonej krzywej równowagi zanieczyszczenia membrany przez izotop C14 pokazano na Rysunku 2: Jak widać na Rysunku 2, zdolność adsorpcji hydrofobowej membrany PS dla równowagi zanieczyszczeń BSA wynosi około 1,0mg/m2, czyli 5 razy więcej niż hydrofilowa membrana CA w tych samych warunkach, a czas osiągnięcia zdolności adsorpcji równowagi zanieczyszczeń wynosi 60 minut, czyli 6 razy dłużej niż w przypadku membrany CA. Można zauważyć, że membrana wykonana z materiałów hydrofilowych redukuje H213 w wyniku wzrostu jej Hamakera, zmniejszając w ten sposób siłę wentylatora pomiędzy materiałem membrany a substancją rozpuszczoną i skutecznie zmniejszając poziom zanieczyszczenia powierzchni membrany. Z równania Gibbsa widać wyraźnie, że po wyznaczeniu parametrów C, T, R i , Γ zmienia się tylko wraz z θ. Im silniejsza hydrofobowość materiału, tym większe d (COSθ)/dC, tym poważniejsze zanieczyszczenie membrany.
 

Eksperyment wykazał, że zaletą membrany hydrofilowej jest niska zdolność adsorpcji równowagowej zanieczyszczeń. Zaletą membrany hydrofobowej jest długi czas osiągnięcia równowagi adsorpcji zanieczyszczeń. Dlatego w rzeczywistości obecna obca membrana ultrafiltracyjna ogólnie przyjmuje praktykę kompozytowych materiałów hydrofilowych na bazie hydrofobowej membrany bazowej, co nie tylko zmniejsza zanieczyszczenie powierzchni membrany, ale także wydłuża czas osiągnięcia równowagi adsorpcyjnej zanieczyszczeń powierzchni membrany, co skutecznie poprawia wydajność membrany ultrafiltracyjnej.

 

3.3.2 Badania właściwości ładujących materiałów membranowych

Do przeprowadzenia eksperymentów porównawczych wybraliśmy bardziej reprezentatywną, dodatnio naładowaną folię PAN i ujemnie naładowaną warstwę PAN. Warunki eksperymentu były następujące: działanie pod ciśnieniem powietrza; Temperatura: 25 stopni; Stężenie roztworu fermentacyjnego: 0,333 g/l; pH wynosi 3,5; Natężenie przepływu: 43,7 cm/min.

Tabela 1 i Rysunek 3 przedstawiają równowagową zdolność adsorpcji zanieczyszczeń i krzywą równowagi adsorpcji odpowiednio naładowanej dodatnio i ujemnie naładowanej poliakrylonitrylowej membrany do ultrafiltracji (PAN) w roztworze do fermentacji alkoholowej. Z analizy wykresu wynika, że ​​równowagowa zdolność adsorpcji dodatnio naładowanej membrany ultrafiltracyjnej PAN jest znacznie niższa niż ujemnie naładowanej membrany PAN w środowisku kwaśnego, dodatnio naładowanego roztworu do fermentacji alkoholowej. Im niższa wartość pH, tym większa dodatniość roztworu, tym większa różnica między równowagową zdolnością adsorpcji zanieczyszczeń przez dwie membrany, a gdy wartość pH roztworu jest bliska punktu izoelektrycznego, zdolność adsorpcji dwie membrany zwykle są spójne, a różnica między maksymalną zdolnością adsorpcji dwóch membran może sięgać ponad 75%.

Można zauważyć, że ze względu na działanie podwójnej warstwy elektrycznej, bardzo duży wpływ na zanieczyszczenie membrany będzie miała zależność pomiędzy ładunkiem membrany a ładunkiem roztworu (wartość pH). Gdy ładunek membrany jest taki sam jak ładunek roztworu, uwięziona substancja rozpuszczona znajduje się zazwyczaj daleko od powierzchni membrany, co powoduje mniejsze zanieczyszczenie. Kiedy ładunek membrany jest przeciwny do ładunku roztworu, uwięziona substancja rozpuszczona jest łatwo adsorbowana i osadzana na powierzchni membrany, co powoduje większe zanieczyszczenie.

Dlatego też w oczyszczaniu wody i odwadnianiu, zwłaszcza w procesie oczyszczania ścieków, należy zwrócić szczególną uwagę na ładowanie cieczy uzdatniającej (zwykle wyrażane w pH). Gdy ciecz do obróbki jest kwaśna, wybiera się dodatnio naładowaną membranę ultrafiltracyjną; Gdy roztwór do oczyszczania ma odczyn zasadowy, wybiera się ujemnie naładowaną membranę ultrafiltracyjną.

 

3.3.3 Stężenie roztworu do obróbki

Zgodnie z równaniem Fredricha Γ=k×c1 / n do określenia parametrów wybrano membrany ultrafiltracyjne z czterech materiałów: polialu (PS), polialumamidu (PSA), poliakrylonitrylu (PAN) i włókna octanowego (CA). zanieczyszczenia powstałe w cieczy po fermentacji alkoholowej o różnym stężeniu. Warunki eksperymentu były następujące: ciśnienie; Działanie pod ciśnieniem powietrza; Temperatura; 25 stopni; Natężenie przepływu cieczy fermentacyjnej: 43,7 cm/min. Wyniki eksperymentów przedstawiono w tabeli 2.

Poprzez regresję liniową danych z tabeli 2 otrzymano równanie Fredricha dotyczące zdolności adsorpcyjnej czterech rodzajów zanieczyszczeń membranowych w następujący sposób:

Membrana S:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ………………3．1

Membrana PSA: Γ＝{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2

Membrana PAN:Γ＝{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3

Membrana CA: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ………………3．4
Z powyższego równania widać, że ilość zanieczyszczeń adsorpcyjnych na powierzchni folii jest bezpośrednio związana ze stężeniem roztworu do obróbki. Im wyższe stężenie cieczy obróbczej, tym większe zanieczyszczenie powierzchni membrany. W przypadku filmu hydrofilowego wzrost zanieczyszczenia powierzchni spowodowany zmianą stężenia jest większy niż wzrost zanieczyszczenia filmu hydrofobowego. Dlatego w uzdatnianiu wody, zwłaszcza w przemyśle oczyszczania ścieków, zastosowanie rozcieńczania wody filtrowanej i innych środków zmniejszających stężenie cieczy uzdatniającej ma znaczący wpływ na kontrolę i redukcję zanieczyszczeń powierzchni folii.

 

3.3.4 Natężenie przepływu cieczy leczniczej

Wpływ natężenia przepływu cieczy obróbkowej na zanieczyszczenie powierzchni membrany analizowano poprzez doświadczenia adsorpcji zanieczyszczeń membran CA i PS przy różnych prędkościach przepływu. FIGA. 4 i FIG. 5 pokazała równowagową zdolność adsorpcji membran ultrafiltracyjnych CA i PS podczas cyrkulacji pod ciśnieniem cieczy fermentacyjnej alkoholowej, odpowiednio, w warunkach eksperymentalnych 25 stopni. Wartość pH wynosi 3,5. Z wykresu danych można wyciągnąć następujące wnioski: równowagowa zdolność adsorpcji zanieczyszczeń zarówno membran hydrofilowych, jak i hydrofobowych jest liniowo odwrotnie proporcjonalna do natężenia przepływu filtratu. Udział równowagowej adsorpcji zanieczyszczeń w membranie hydrofilowej zmniejszał się wraz ze wzrostem prędkości przepływu, był większy niż w przypadku membrany hydrofobowej.

Dzieje się tak, ponieważ wzrost natężenia przepływu cieczy obróbkowej nie tylko sprzyja zmniejszeniu zjawiska polaryzacji stężeniowej na powierzchni folii, zmniejszając w ten sposób zanieczyszczenie powierzchni folii, ale także sprzyja zmniejszeniu zanieczyszczenia powierzchni folii na skutek efektu ścinającego płyn o dużej prędkości na powierzchni folii. Jednocześnie wzrost natężenia przepływu zwiększy również efekt mikromieszania roztworu do obróbki, ułatwi rozpuszczanie substancji rozpuszczonej i zmniejszy występowanie zanieczyszczenia membrany.

 

3.3.5 Inne metody

Ponadto właściwa obróbka wstępna powierzchni membrany i obróbka jest również skuteczną metodą kontroli zanieczyszczeń powierzchni membrany. JA Howell i in. zastosował metodę wiązania papazy w membranie ultrafiltracyjnej w celu rozłożenia serwatki osadzonej na powierzchni membrany, co znacznie zmniejszyło zanieczyszczenie membrany. Ponadto polisulfonowa membrana do ultrafiltracji potraktowana Tween80 znacznie zmniejszyła zanieczyszczenie powierzchni membrany podczas ultrafiltracji roztworu BSA, co jest dobrym sposobem leczenia zmniejszającym zanieczyszczenie powierzchni membrany.

 

04 Wniosek

Kluczowym problemem stosowania membran ultrafiltracyjnych w wodociągach i drenażach jest zmniejszenie strumienia spowodowane zanieczyszczeniem membrany. Do głównych czynników powodujących zanieczyszczenie powierzchni membrany ultrafiltracyjnej należą: właściwości materiałów membrany, współpraca materiałów membrany z cieczą obróbczą, stężenie i natężenie przepływu cieczy obróbczej oraz inne czynniki. Dalsza poprawa właściwości materiałów membranowych i rozsądne podejście do różnych parametrów dopasowywania membrany i cieczy uzdatniającej pozwala skutecznie rozwiązać ten trudny problem, dzięki czemu membrana ultrafiltracyjna może być szerzej stosowana w dziedzinie zaopatrzenia w wodę i odprowadzania wody. W przyszłości firma Hangzhou Jiuling Technology wprowadzi także więcej metod badawczo-rozwojowych w zakresie rozwiązywania zanieczyszczeń membranowych, aby poprawić status quo.