Механизъм и контрол на замърсяването на ултрафилтрационната мембрана
Следното ще представи накратко механизма и модела на замърсяване на ултрафилтрационната мембрана.
Резултатите от теста показват, че основните фактори, причиняващи замърсяване на мембраната, включват свойствата на мембранните материали, взаимодействието между мембранните материали и третираната течност, концентрацията и скоростта на потока на третираната течност и др.
Проблемът със замърсяването на мембраната може да бъде решен ефективно чрез подобряване на свойствата на мембранните материали и разумно управление на съвпадението на параметрите между мембраната и третираната течност.
01 Приложение на мембранната технология във водоснабдителната и канализацията
Поради широкото приложение на ултрафилтрационната мембрана в областта на водоснабдяването и отводняването, устойчивостта на филтриране, причинена от замърсяване на мембраната по време на работа на системата, особено в областта на пречистването на отпадъчни води, непрекъснато се увеличава и сериозното отслабване на мембранната филтрация flux е ключът към възпрепятстване на прилагането и популяризирането на тази технология. Тази статия има за цел да подобри разбирането на ефективното приложение на мембранната технология в областта на водоснабдяването и отводняването чрез обобщаване на факторите за контрол на замърсяването от експеримента за замърсяване с ултрафилтрационна мембрана.
02 Механизъм и модел на замърсяване на ултрафилтрационната мембрана
2.1 Механизъм и модел на замърсяване
Теоретично погледнато, процесът на адсорбция на разтвора върху повърхността на мембраната е сложен, тъй като винаги има конкурентна адсорбция между разтвореното вещество и разтворителя или между компонентите на адсорбентната смес (мембрана) в процеса на адсорбция, така че адсорбционната изотерма на разтворът трябва да се изчисли чрез измерване на привидната изотермична адсорбционна линия и добавяне на подходящи данни за адсорбция на пари. Въпреки това, всъщност, от качествена гледна точка, може да се счита, че адсорбцията на мембраната към разтвореното вещество е тясно свързана с полярността между двете и мембраната от полярни материали има тенденция да адсорбира силно полярни вещества и адсорбцията на неполярните вещества е много по-слаба. Напротив, филмът от неполярни материали е по-вероятно да адсорбира неполярни разтвори.
От друга страна, съгласно принципа на подобна разтворимост, полярните разтворени вещества се разтварят лесно в полярни разтворители, докато неполярните разтворени вещества се разтварят лесно в неполярни разтворители. Колкото по-лесно се разтваря, толкова по-малка е вероятността да бъде адсорбирано от повърхността на мембраната. В обобщение, ако полярността на разтвореното вещество е по-близо до разтворителя и противоположна на мембраната, адсорбцията на разтвореното вещество върху повърхността на мембраната е по-малка. От микроскопична гледна точка, трудността на адсорбцията върху повърхността на мембраната и стабилността на адсорбционния слой са свързани със силата на взаимодействие между макромолекулното разтворено вещество, повърхността на мембраната и макромолекулното разтворено вещество. Силата между тях обикновено се разделя на сила на Ван дер Ваалс и сила на двоен слой.
2.1.1 Сили на Ван дер Ваалс
Размерът на силата на Ван Гог между две тела може да се характеризира с константата на пропорционалност на Хамакер H. За тройната система от вода (1), разтворено вещество (2) и мембрана (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] във формула 2, H11, H22 и H33 са константите на Хамакер съответно за вода, разтворено вещество и мембрана. Хидрофобната мембрана, H33 намалява; За хидрофобно разтворено вещество H22 намалява. И двете могат да доведат до увеличаване на H213, да увеличат силата на вентилатора между мембраната и разтвореното вещество и да влошат замърсяването на повърхността на мембраната. Следователно както хидрофобните мембрани, така и разтворените вещества правят повърхността на мембраната по-податлива на замърсяване.
2.1.2 Сила на двоен електрически слой
Когато мембраната е в контакт с разтвора, повърхността на мембраната ще бъде заредена поради йонна адсорбция, диполна ориентация, водородна връзка и други ефекти, а повърхностният заряд може да повлияе на разпределението на йони в разтвора близо до повърхността: йони с различен заряд се привличат от повърхностния заряд и се стремят към повърхността на мембраната; Йоните с еднакъв заряд се отблъскват от повърхностния заряд и са далеч от повърхността на мембраната, което прави положителните и отрицателните йони в разтвора близо до повърхността на мембраната разделени един от друг. В същото време топлинното движение кара положителните и отрицателните йони да имат тенденция да се върнат към равномерно смесване. При комбинацията от тези две противоположни тенденции, излишните хетерозигни йони се разпространяват в средата близо до повърхността на заредения филм, за да образуват двоен слой. Когато наелектризирането на мембраната е същото като това на разтвора, адсорбцията на замърсяване е малка. Напротив, адсорбцията е по-голяма. Количеството замърсяване, адсорбирано върху повърхността на мембраната, зависи от комбинирания резултат от горните две сили.
Адсорбционният модел на замърсяване на мембраната може да бъде изразен чрез уравнението на адсорбцията на Гибс и уравнението на адсорбцията на Фредрих. Сред тях адсорбционното уравнение на Гибс се фокусира върху адсорбционната връзка при изотермични условия:
В случай, че топлината на адсорбция е свързана със степента на повърхностно покритие, се използва уравнението на Фридрих:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Където Γ е капацитетът за адсорбция на замърсяване на филма на единица площ
k, n е корелационната константа и c е равновесната концентрация на разтвора
03 Контрол на замърсяването на мембраната
Според механизма и адсорбционния модел на замърсяване на мембраната, замърсяването на мембраната може да се контролира чрез регулиране на следните фактори: хидрофилни свойства на мембранните материали; Зареждащи свойства на мембранните материали; Концентрацията на разтвора за третиране; Скоростта на потока на обработващата течност.
В тази статия факторите на влияние на горните четири вида замърсяване на мембраната са изследвани чрез съответни експерименти, за да се търси контрол на промените на различни фактори върху замърсяването на мембраната.
3.1 Експериментално оборудване и материали
Оборудването, използвано в този експеримент, включва собствено изработен пластинчат ултрафилтър, самостоятелно изработен резервоар за захранваща течност, водна баня със супер постоянна температура, измервателна циркулационна помпа WZJ-II, изотопен метър C14, кварцова пружинна скала, ръстомер и т.н.
Използваните материали са стандартен разтвор на BSA, приготвен алкохолен ферментационен разтвор, полисулфон (PS), полисулфон амид (PSA), полиакрилонитрил (PAN) и ултрафилтрационна мембрана от ацетатни влакна с молекулно тегло 30,000.
3.2 Поток на експериментален цикъл и условия за контрол
Първо, ултрафилтрационната мембрана от различни материали се прави на блокове според размера и формата на ултрафилтрационния резервоар и се накисва в чиста вода за 24 часа, а теглото на мокрия филм се претегля. След това алкохолен ферментационен разтвор или стандартен BSA разтвор с различни концентрации, приготвени по същия метод, се излива съответно в резервоара за захранваща течност. Процесът е последван от циркулация на постоянна температура и въздушно налягане в съответствие с процеса, показан на фигура 1. След адсорбционното равновесие на ултрафилтрационната мембрана се определя теглото на мембранния блок след адсорбционното равновесие, за да се определи равновесното адсорбционно количество на експерименталната мембрана блок.
Теглото на мембраната на стандартния разтвор на BSA и разтвора за алкохолна ферментация се определя съответно чрез С14 изотопен метод и кварцов пружинен баланс и ръстомер. Дебитът на захранващата течност се контролира от регулиращ вентил и измервателна помпа и се измерва от хронометър и измервателен цилиндър. Стойността на рН на разтвора за алкохолна ферментация се измерва с рН метър PHB-4 и се регулира съответно с 1 N разтвори на HCl и NaOH.
3.3 Експериментални резултати и обсъждане
3.3.1 Експеримент върху хидрофилността на мембранните материали
Избрахме най-представителния хидрофилен мембранен материал ултрафилтрационна мембрана от ацетатни влакна (CA) и най-представителния хидрофобен мембранен материал полисулфонова ултрафилтрационна мембрана (PS), за да проведем сравнителен експеримент на тест за равновесна адсорбция в стандартен разтвор на BSA и кривата на равновесие на измереното замърсяване на мембраната чрез C14 изотоп е показано на Фигура 2: Както може да се види от Фигура 2, адсорбционният капацитет на хидрофобната PS мембрана за равновесие на замърсяване с BSA е около 1.0mg/m2, което е 5 пъти по-голямо от това на хидрофилната CA мембрана при същите условия и времето за достигане на адсорбционния капацитет на равновесие на замърсяването е 60 минути, което е 6 пъти повече от CA мембраната. Може да се види, че мембраната, изработена от хидрофилни материали, намалява H213 поради увеличаването на неговия Hamaker, като по този начин намалява силата на вентилатора между мембранния материал и разтвореното вещество и ефективно намалява нивото на замърсяване на повърхността на мембраната. От уравнението на Гибс може ясно да се види, че след определянето на параметрите C, T, R и , Γ се променя само с θ. Колкото по-силна е хидрофобността на материала, толкова по-голямо е d (COSθ)/dC, толкова по-сериозно е замърсяването на мембраната.
Експериментът показа, че хидрофилната мембрана има предимството на нисък капацитет на равновесна адсорбция на замърсяване. Хидрофобната мембрана има предимството на дълго време за достигане на равновесието на адсорбция на замърсяване. Следователно, всъщност настоящата чуждестранна ултрафилтрационна мембрана обикновено приема практиката на композитни хидрофилни материали на базата на хидрофобна основна мембрана, която не само намалява замърсяването на повърхността на мембраната, но също така удължава времето за достигане на адсорбционния баланс на замърсяването на повърхността на мембраната, което ефективно подобрява работата на ултрафилтрационната мембрана.
3.3.2 Експерименти върху свойствата на зареждане на мембранните материали
Избрахме по-представителен положително зареден PAN филм и отрицателно зареден PAN филм, за да направим сравнителни експерименти. Експерименталните условия бяха: работа под налягане на въздуха; Температура: 25 градуса; Концентрация на ферментационния разтвор: 0.333 g/L; pH е 3,5; Дебит: 43.7cm/min.
Таблица 1 и Фигура 3 показват равновесния капацитет на адсорбция на замърсяването и кривата на адсорбционното равновесие съответно на положително заредена и отрицателно заредена полиакрилонитрилна ултрафилтрационна мембрана (PAN) в алкохолен ферментационен разтвор. От анализа на диаграмата може да се види, че равновесният адсорбционен капацитет на положително заредената PAN ултрафилтрационна мембрана е много по-нисък от този на отрицателно заредената PAN мембрана в средата на кисел положително зареден алкохолен ферментационен разтвор. Колкото по-ниска е стойността на рН, толкова по-силна е положителността на разтвора, толкова по-голяма е разликата между равновесния адсорбционен капацитет на замърсяването на двете мембрани и когато стойността на рН на разтвора е близо до изоелектричната точка, адсорбционният капацитет на две мембрани имат тенденция да бъдат последователни и разликата между максималния адсорбционен капацитет на двете мембрани може да достигне повече от 75%.
Може да се види, че поради ефекта на двойния електрически слой, връзката между мембраната и заряда на разтвора (рН стойност) ще има много голямо влияние върху замърсяването на мембраната. Когато зарядът на мембраната е същият като този на разтвора, уловеното разтворено вещество обикновено е далеч от повърхността на мембраната, което води до по-малко замърсяване. Когато зарядът на мембраната е противоположен на заряда на разтвора, уловеното разтворено вещество лесно се адсорбира и отлага върху повърхността на мембраната, което води до по-голямо замърсяване.
Следователно, при пречистването на водоснабдяването и отводняването, особено в процеса на пречистване на отпадъчни води, трябва да се обърне специално внимание на зареждането на течността за пречистване (обикновено се изразява в pH). Когато течността за обработка е кисела, се избира положително заредена ултрафилтрационна мембрана; Когато разтворът за обработка е алкален, се избира отрицателно заредена ултрафилтрационна мембрана.
3.3.3 Концентрация на третирания разтвор
Съгласно уравнението на Фредрих Γ=k×c1 / n, ултрафилтрационните мембрани от четири материала, а именно полиалум (PS), полиалумид амид (PSA), полиакрилонитрил (PAN) и ацетатни влакна (CA), бяха избрани за определяне замърсяването, образувано в алкохолна ферментационна течност с различни концентрации. Експерименталните условия бяха както следва: налягане; Работа под налягане на въздуха; температура; 25 градуса; Скорост на потока на ферментационната течност: 43,7 cm/min. Експерименталните резултати са показани в таблица 2.
Чрез линейна регресия на данните в таблица 2 се получава уравнението на Фредрих за адсорбционния капацитет на четири вида мембранно замърсяване, както следва:
S мембрана: Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1
PSA мембрана: Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2
PAN мембрана: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3
CA мембрана: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Може да се види от горното уравнение, че адсорбционното количество на замърсяване върху повърхността на филма е пряко свързано с концентрацията на разтвора за третиране. Колкото по-висока е концентрацията на течността за обработка, толкова по-силно е замърсяването на повърхността на мембраната. За хидрофилния филм увеличението на повърхностното замърсяване, причинено от промяната на концентрацията, е по-голямо от увеличаването на замърсяването на хидрофобния филм. Следователно, при пречистването на водата, особено в индустрията за пречистване на отпадъчни води, използването на разреждане на обратен поток на филтрирана вода и други средства за намаляване на концентрацията на течността за пречистване има значителен ефект върху контролирането и намаляването на замърсяването на повърхността на филма.
3.3.4 Дебит на течността за обработка
Влиянието на скоростта на потока на обработващата течност върху повърхностното замърсяване на мембраната беше анализирано чрез експерименти за адсорбция на замърсяване на CA и PS мембрани при различни скорости на потока. Фиг. 4 и фиг. 5 показва равновесния адсорбционен капацитет на CA и PS ултрафилтрационните мембрани по време на циркулацията на кухото налягане на алкохолна ферментационна течност, съответно, при експериментални условия от 25 градуса. Стойността на pH е 3,5. От диаграмата с данни могат да се направят следните заключения: равновесният капацитет за адсорбция на замърсяване както на хидрофилните, така и на хидрофобните мембрани е линейно обратно пропорционален на скоростта на потока на филтрата. Делът на адсорбцията на равновесно замърсяване на хидрофилната мембрана намалява с увеличаването на скоростта на потока е по-голям от този на хидрофобната мембрана.
Това е така, защото увеличаването на скоростта на потока на обработващата течност е не само благоприятно за намаляване на феномена на поляризация на концентрацията върху повърхността на филма, като по този начин намалява замърсяването на повърхността на филма, но също така води до намаляване на замърсяването на повърхността на филма поради ефекта на срязване на високоскоростна течност върху повърхността на филма. В същото време увеличаването на скоростта на потока също ще увеличи ефекта на микроразбъркване на разтвора за третиране, ще насърчи разтварянето на разтвореното вещество и ще намали появата на замърсяване на мембраната.
3.3.5 Други методи
В допълнение, правилната предварителна обработка на повърхността на мембраната и обработката също е ефективен метод за контролиране на замърсяването на повърхността на мембраната. JA Howell и др. използва метода за фиксиране на папаяза в ултрафилтрационната мембрана за разграждане на суроватката, отложена върху повърхността на мембраната, което значително намалява замърсяването на мембраната. В допълнение полисулфоновата ултрафилтрационна мембрана, обработена с Tween80, значително намалява повърхностното замърсяване на мембраната по време на ултрафилтрацията на BSA разтвор, което е добро средство за обработка за намаляване на повърхностното замърсяване на мембраната.
04 Заключение
Основният проблем при приложението на ултрафилтрационната мембрана в областта на водоснабдяването и отводняването е намаляването на потока, причинено от замърсяване на мембраната. Основните фактори, причиняващи повърхностно замърсяване на ултрафилтрационната мембрана, включват: свойствата на мембранните материали, взаимодействието между мембранните материали и течността за обработка, концентрацията и скоростта на потока на течността за обработка и други фактори. Чрез по-нататъшно подобряване на свойствата на мембранните материали и разумно боравене с различните параметри, съвпадащи между мембраната и течността за обработка, този труден проблем може да бъде ефективно решен, така че ултрафилтрационната мембрана да може да се използва по-широко в областта на водоснабдяването и отводняването. Hangzhou Jiuling Technology също ще направи повече методи за изследване и развитие в решението на мембранното замърсяване в бъдеще, за да подобри статуквото.