Ultrafiltrācijas membrānas piesārņojuma mehānisms un kontrole
Tālāk īsumā tiks iepazīstināts ar ultrafiltrācijas membrānas piesārņojuma mehānismu un modeli.
Testa rezultāti liecina, ka galvenie faktori, kas izraisa membrānas piesārņojumu, ir membrānas materiālu īpašības, membrānas materiālu un apstrādātā šķidruma mijiedarbība, apstrādātā šķidruma koncentrācija un plūsmas ātrums utt.
Membrānas piesārņojuma problēmu var efektīvi atrisināt, uzlabojot membrānas materiālu īpašības un saprātīgi rīkojoties ar parametru saskaņošanu starp membrānu un apstrādāto šķidrumu.
01 Membrānas tehnoloģijas pielietojums ūdensapgādes un kanalizācijas nozarē
Pateicoties ultrafiltrācijas membrānas plašajam pielietojumam ūdens apgādes un kanalizācijas jomā, filtrācijas pretestība, ko izraisa membrānas piesārņojums sistēmas darbības laikā, īpaši notekūdeņu attīrīšanas jomā, nepārtraukti palielinās, un membrānas filtrācijas nopietns vājināšanās. plūsma ir galvenais, kas kavē šīs tehnoloģijas izmantošanu un popularizēšanu. Šī darba mērķis ir uzlabot izpratni par efektīvu membrānu tehnoloģiju pielietojumu ūdensapgādes un drenāžas jomā, apkopojot ultrafiltrācijas membrānas piesārņojuma eksperimenta piesārņojuma kontroles faktorus.
02 Ultrafiltrācijas membrānas piesārņojuma mehānisms un modelis
2.1. Piesārņojuma mehānisms un modelis
Teorētiski runājot, šķīduma adsorbcijas process uz membrānas virsmas ir sarežģīts, jo vienmēr notiek konkurējoša adsorbcija starp izšķīdušo vielu un šķīdinātāju vai adsorbcijas procesā starp adsorbcijas maisījuma (membrānas) sastāvdaļām, tāpēc adsorbcijas izoterma. šķīdums jāaprēķina, izmērot šķietamo izotermiskās adsorbcijas līniju un pievienojot atbilstošus tvaika adsorbcijas datus. Tomēr faktiski no kvalitatīvā viedokļa var uzskatīt, ka membrānas adsorbcija uz izšķīdušo vielu ir cieši saistīta ar polaritāti starp abiem, un polāro materiālu membrānai ir tendence spēcīgi adsorbēt polārās vielas, un nepolāru vielu adsorbcija ir daudz vājāka. Gluži pretēji, nepolāru materiālu plēve, visticamāk, adsorbēs nepolāras izšķīdušās vielas.
No otras puses, saskaņā ar līdzīgas šķīdības principu polārie šķīdinātāji viegli šķīst polāros šķīdinātājos, bet nepolārie šķīdinātāji viegli izšķīst nepolārajos šķīdinātājos. Jo vieglāk tas izšķīst, jo mazāka iespējamība, ka to adsorbēs membrānas virsma. Rezumējot, ja izšķīdušās vielas polaritāte ir tuvāk šķīdinātājam un pretēja membrānai, izšķīdušās vielas adsorbcija uz membrānas virsmas ir mazāka. No mikroskopiskā viedokļa adsorbcijas grūtības uz membrānas virsmas un adsorbcijas slāņa stabilitāte ir saistītas ar mijiedarbības spēku starp makromolekulāro izšķīdušo vielu, membrānas virsmu un makromolekulāro izšķīdušo vielu. Spēks starp tiem parasti tiek sadalīts van der Vālsa spēkā un dubultā slāņa spēkā.
2.1.1. Van der Vālsa spēki
Van Goga spēka lielumu starp diviem ķermeņiem var raksturot ar Hamakera proporcionalitātes konstanti H. Trīskāršajai ūdens (1), izšķīdušās vielas (2) un membrānas (3) sistēmai: H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] 2. formulā H11, H22 un H33 ir attiecīgi ūdens, izšķīdušās vielas un membrānas Hamakera konstantes. Hidrofobā membrāna H33 samazinājās; Hidrofobām izšķīdušajām vielām H22 samazinājās. Abas no tām var izraisīt H213 palielināšanos, palielināt ventilatora spēku starp membrānu un izšķīdušo vielu un saasināt membrānas virsmas piesārņojumu. Tāpēc gan hidrofobās membrānas, gan izšķīdušās vielas padara membrānas virsmu jutīgāku pret piesārņojumu.
2.1.2. Dubultā elektriskā slāņa spēks
Kad membrāna saskaras ar šķīdumu, membrānas virsma tiks uzlādēta jonu adsorbcijas, dipola orientācijas, ūdeņraža saites un citu efektu dēļ, un virsmas lādiņš var ietekmēt jonu sadalījumu šķīdumā virsmas tuvumā: jonus ar dažādiem lādiņiem piesaista virsmas lādiņš un tie tiecas uz membrānas virsmu; Jonus ar vienādu lādiņu atgrūž virsmas lādiņš un tie atrodas tālu prom no membrānas virsmas, kas šķīdumā pie membrānas virsmas atdala pozitīvos un negatīvos jonus vienu no otra. Tajā pašā laikā termiskās kustības rezultātā pozitīvajiem un negatīvajiem joniem ir tendence atgriezties pie vienmērīgas sajaukšanās. Šo divu pretējo tendenču kombinācijā liekie heterosigna joni tiek izkliedēti vidē netālu no uzlādētās plēves virsmas, veidojot dubultu slāni. Ja membrānas elektrifikācija ir tāda pati kā šķīdumam, piesārņojuma adsorbcija ir maza. Gluži pretēji, adsorbcija ir lielāka. Uz membrānas virsmas adsorbētā piesārņojuma daudzums ir atkarīgs no iepriekš minēto divu spēku kopējā rezultāta.
Membrānas piesārņojuma adsorbcijas modeli var izteikt ar Gibsa adsorbcijas vienādojumu un Fredriha adsorbcijas vienādojumu. Starp tiem Gibsa adsorbcijas vienādojums koncentrējas uz adsorbcijas attiecībām izotermiskos apstākļos:
Gadījumā, ja adsorbcijas siltums ir saistīts ar virsmas pārklājuma pakāpi, tiek izmantots Frīdriha vienādojums:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Kur Γ ir plēves piesārņojuma adsorbcijas spēja uz laukuma vienību
k, n ir korelācijas konstante un c ir šķīduma līdzsvara koncentrācija
03 Membrānas piesārņojuma kontrole
Atbilstoši membrānas piesārņojuma mehānismam un adsorbcijas modelim membrānas piesārņojumu var kontrolēt, pielāgojot šādus faktorus: membrānas materiālu hidrofilās īpašības; Membrānas materiālu uzlādes īpašības; Apstrādes šķīduma koncentrācija; Apstrādes šķidruma plūsmas ātrums.
Šajā rakstā tika pētīti četru iepriekšminēto membrānas piesārņojuma veidu ietekmes faktori, veicot attiecīgus eksperimentus, lai kontrolētu dažādu membrānu piesārņojuma faktoru izmaiņas.
3.1. Eksperimentālās iekārtas un materiāli
Šajā eksperimentā izmantotais aprīkojums ietver pašizveidotu plākšņu ultrafiltru, paštaisītu barības šķidruma tvertni, super nemainīgas temperatūras ūdens vannu, WZJ-II mērīšanas cirkulācijas sūkni, C14 izotopu mērītāju, kvarca atsperu skalu, augstuma mērītāju un tā tālāk.
Izmantotie materiāli ir standarta BSA šķīdums, sagatavots spirta fermentācijas šķīdums, polisulfons (PS), polisulfona amīds (PSA), poliakrilnitrils (PAN) un acetāta šķiedras plāksnes ultrafiltrācijas membrāna ar molekulmasu 30,000.
3.2. Eksperimentālā cikla plūsma un kontroles apstākļi
Pirmkārt, dažādu materiālu ultrafiltrācijas membrānu veido blokos atbilstoši ultrafiltrācijas tvertnes izmēram un formai, 24 stundas iemērc tīrā ūdenī un nosver mitrās plēves svaru. Pēc tam padeves šķidruma tvertnē attiecīgi ielej dažādu koncentrāciju spirta fermentācijas šķīdumu vai standarta BSA šķīdumu, kas sagatavots ar to pašu metodi. Procesam seko nemainīgas temperatūras un gaisa spiediena cirkulācija atbilstoši 1. attēlā parādītajam procesam. Pēc ultrafiltrācijas membrānas adsorbcijas līdzsvara noteikšanas nosaka membrānas bloka svaru pēc adsorbcijas līdzsvara, lai noteiktu eksperimentālās membrānas līdzsvara adsorbcijas daudzumu. bloks.
Standarta BSA šķīduma un spirta fermentācijas šķīduma membrānas svars tika noteikts ar C14 izotopu metodi un attiecīgi kvarca atsperes līdzsvara un augstuma mērītāju. Padeves šķidruma plūsmas ātrumu kontrolē regulēšanas vārsts un mērsūknis, un mēra ar hronometru un mērcilindru. Spirta fermentācijas šķīduma pH vērtība tika mērīta ar PHB-4 pH-metru un pielāgota attiecīgi ar 1 N HCl un NaOH šķīdumiem.
3.3. Eksperimentu rezultāti un diskusija
3.3.1. Membrānas materiālu hidrofilitātes eksperiments
Mēs izvēlējāmies reprezentatīvāko hidrofilā membrānas materiāla acetāta šķiedras ultrafiltrācijas membrānu (CA) un reprezentatīvāko hidrofobā membrānas materiāla polisulfona ultrafiltrācijas membrānu (PS), lai veiktu salīdzinošu eksperimentu līdzsvara adsorbcijas pārbaudei standarta BSA šķīdumā un izmērītu membrānas piesārņojuma līdzsvara līkni. ar C14 izotopu tika parādīts 2. attēlā: Kā redzams 2. attēlā, hidrofobās PS membrānas adsorbcijas spēja BSA piesārņojuma līdzsvaram ir aptuveni 1.0mg/m2, kas ir 5 reizes lielāka nekā hidrofilās CA membrānas adsorbcijas spēja. tādos pašos apstākļos, un laiks, lai sasniegtu piesārņojuma līdzsvara adsorbcijas spēju, ir 60 minūtes, kas ir 6 reizes vairāk nekā CA membrānai. Var redzēt, ka membrāna, kas izgatavota no hidrofiliem materiāliem, samazina H213, palielinoties tā Hamakeram, tādējādi samazinot ventilatora spēku starp membrānas materiālu un izšķīdušo vielu un efektīvi samazinot membrānas virsmas piesārņojuma līmeni. No Gibsa vienādojuma var skaidri redzēt, ka pēc parametru C, T, R un , Γ noteikšanas mainās tikai ar θ. Jo spēcīgāka ir materiāla hidrofobitāte, jo lielāks ir d (COSθ)/dC, jo nopietnāks ir membrānas piesārņojums.
Eksperiments parādīja, ka hidrofilās membrānas priekšrocība ir zema piesārņojuma līdzsvara adsorbcijas spēja. Hidrofobās membrānas priekšrocība ir ilgs laiks, lai sasniegtu piesārņojuma adsorbcijas līdzsvaru. Tāpēc faktiski pašreizējā ārvalstu ultrafiltrācijas membrāna parasti izmanto kompozītu hidrofilu materiālu praksi, pamatojoties uz hidrofobu bāzes membrānu, kas ne tikai samazina membrānas virsmas piesārņojumu, bet arī pagarina laiku, lai sasniegtu piesārņojuma adsorbcijas līdzsvaru. membrānas virsmas, kas efektīvi uzlabo ultrafiltrācijas membrānas veiktspēju.
3.3.2. Eksperimenti par membrānas materiālu uzlādes īpašībām
Salīdzinošu eksperimentu veikšanai mēs izvēlējāmies reprezentatīvāku pozitīvi lādētu PAN plēvi un negatīvi lādētu PAN plēvi. Eksperimenta apstākļi bija: gaisa spiediena darbība; Temperatūra: 25 grādi ; Fermentācijas šķīduma koncentrācija: 0,333 g/L; pH ir 3,5; Plūsmas ātrums: 43,7 cm/min.
1. tabulā un 3. attēlā parādīta attiecīgi pozitīvi lādētas un negatīvi lādētas poliakrilnitrila ultrafiltrācijas membrānas (PAN) līdzsvara piesārņojuma adsorbcijas spēja un adsorbcijas līdzsvara līkne spirta fermentācijas šķīdumā. No diagrammas analīzes redzams, ka pozitīvi lādētas PAN ultrafiltrācijas membrānas līdzsvara adsorbcijas spēja ir daudz zemāka nekā negatīvi lādētai PAN membrānai skābā pozitīvi lādēta spirta fermentācijas šķīduma vidē. Jo zemāka ir pH vērtība, jo spēcīgāka ir šķīduma pozitivitāte, jo lielāka ir atšķirība starp abu membrānu piesārņojuma līdzsvara adsorbcijas spēju, un, ja šķīduma pH vērtība ir tuvu izoelektriskajam punktam, šķīduma adsorbcijas spēja ir lielāka. divas membrānas mēdz būt konsekventas, un atšķirība starp abu membrānu maksimālo adsorbcijas spēju var sasniegt vairāk nekā 75%.
Redzams, ka dubultā elektriskā slāņa iedarbības dēļ membrānas un šķīduma lādiņa attiecībai (pH vērtība) būs ļoti liela ietekme uz membrānas piesārņojumu. Ja membrānas lādiņš ir tāds pats kā šķīdumam, notvertā izšķīdinātā viela parasti atrodas tālu prom no membrānas virsmas, tādējādi radot mazāku piesārņojumu. Ja membrānas lādiņš ir pretējs šķīduma lādiņam, notvertā izšķīdinātā viela viegli adsorbējas un nogulsnējas uz membrānas virsmas, kā rezultātā rodas lielāks piesārņojums.
Tāpēc ūdens apgādes un drenāžas attīrīšanā, īpaši notekūdeņu attīrīšanas procesā, īpaša uzmanība jāpievērš attīrīšanas šķidruma (parasti pH izteiksmē) uzlādēšanai. Ja apstrādes šķidrums ir skābs, tiek izvēlēta pozitīvi lādēta ultrafiltrācijas membrāna; Ja apstrādes šķīdums ir sārmains, tiek izvēlēta negatīvi lādēta ultrafiltrācijas membrāna.
3.3.3. Apstrādes šķīduma koncentrācija
Saskaņā ar Fredriha vienādojumu Γ=k×c1 / n, lai noteiktu, tika izvēlētas četru materiālu ultrafiltrācijas membrānas, proti, polialums (PS), polialumīda (PSA), poliakrilnitrila (PAN) un acetāta šķiedras (CA). piesārņojums, kas veidojas dažādu koncentrāciju spirta fermentācijas šķidrumā. Eksperimenta apstākļi bija šādi: spiediens; Gaisa spiediena darbība; Temperatūra; 25 grādi; Fermentācijas šķidruma plūsmas ātrums: 43,7cm/min. Eksperimenta rezultāti ir parādīti 2. tabulā.
Izmantojot 2. tabulas datu lineāro regresiju, Fredriha vienādojums par četru veidu membrānas piesārņojuma adsorbcijas spēju tika iegūts šādi:
S membrāna:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ……………………3．1
PSA membrāna:Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 …………………3．2
PAN membrāna: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 …………………3．3
CA membrāna:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………………3．4
No iepriekš minētā vienādojuma var redzēt, ka piesārņojuma adsorbcijas daudzums uz plēves virsmas ir tieši saistīts ar apstrādes šķīduma koncentrāciju. Jo augstāka ir apstrādes šķidruma koncentrācija, jo spēcīgāks ir membrānas virsmas piesārņojums. Hidrofilai plēvei koncentrācijas izmaiņu izraisītais virsmas piesārņojuma pieaugums ir lielāks nekā hidrofobās plēves piesārņojuma pieaugums. Tāpēc ūdens attīrīšanā, jo īpaši notekūdeņu attīrīšanas nozarē, filtrēta ūdens atpakaļplūsmas atšķaidīšanas un citu līdzekļu izmantošanai, lai samazinātu attīrīšanas šķidruma koncentrāciju, ir būtiska ietekme uz plēves virsmas piesārņojuma kontroli un samazināšanu.
3.3.4. Apstrādes šķidruma plūsmas ātrums
Apstrādes šķidruma plūsmas ātruma ietekme uz membrānas virsmas piesārņojumu tika analizēta, izmantojot CA un PS membrānu piesārņojuma adsorbcijas eksperimentus ar dažādiem plūsmas ātrumiem. Zīm. 4 un Fig. 5 parādīja CA un PS ultrafiltrācijas membrānu līdzsvara adsorbcijas spēju attiecīgi spirta fermentācijas šķidruma dobās spiediena cirkulācijas laikā 25 grādu eksperimenta apstākļos. pH vērtība ir 3,5. No datu diagrammas var izdarīt šādus secinājumus: gan hidrofilās, gan hidrofobās membrānas līdzsvara piesārņojuma adsorbcijas spēja ir lineāri apgriezti proporcionāla filtrāta plūsmas ātrumam. Hidrofilās membrānas līdzsvara piesārņojuma adsorbcijas īpatsvars samazinājās, palielinoties plūsmas ātrumam, bija lielāks nekā hidrofobās membrānas.
Tas ir tāpēc, ka apstrādes šķidruma plūsmas ātruma palielināšanās ne tikai veicina koncentrācijas polarizācijas parādības samazināšanu uz plēves virsmas, tādējādi samazinot plēves virsmas piesārņojumu, bet arī veicina plēves virsmas piesārņojuma samazināšanu bīdes efekta dēļ. ātrgaitas šķidrums uz plēves virsmas. Tajā pašā laikā plūsmas ātruma palielināšanās palielinās arī apstrādes šķīduma mikro maisīšanas efektu, veicinās izšķīdušās vielas izšķīšanu un samazinās membrānas piesārņojuma rašanos.
3.3.5. Citas metodes
Turklāt pareiza membrānas virsmas pirmapstrāde un apstrāde ir arī efektīva metode membrānas virsmas piesārņojuma kontrolei. JA Howell et al. izmantoja metodi papaiāzes fiksēšanai ultrafiltrācijas membrānā, lai sadalītu sūkalas, kas nogulsnētas uz membrānas virsmas, kas ievērojami samazināja membrānas piesārņojumu. Turklāt polisulfona ultrafiltrācijas membrāna, kas apstrādāta ar Tween80, ievērojami samazināja membrānas virsmas piesārņojumu BSA šķīduma ultrafiltrācijas laikā, kas ir labs apstrādes līdzeklis membrānas virsmas piesārņojuma samazināšanai.
04 Secinājums
Galvenā problēma ultrafiltrācijas membrānas pielietošanā ūdens apgādes un kanalizācijas jomā ir plūsmas samazināšanās, ko izraisa membrānas piesārņojums. Galvenie faktori, kas izraisa ultrafiltrācijas membrānas virsmas piesārņojumu, ir: membrānas materiālu īpašības, membrānas materiālu un apstrādes šķidruma sadarbība, apstrādes šķidruma koncentrācija un plūsmas ātrums un citi faktori. Turpinot uzlabot membrānas materiālu īpašības un saprātīgi apstrādājot dažādu parametru atbilstību starp membrānu un apstrādes šķidrumu, šo sarežģīto problēmu var efektīvi atrisināt, lai ultrafiltrācijas membrānu varētu plašāk izmantot ūdens apgādes un kanalizācijas jomā. Hangzhou Jiuling Technology nākotnē arī izmantos vairāk pētniecības un attīstības metožu membrānas piesārņojuma risināšanā, lai uzlabotu status quo.
