Mehanizem in nadzor onesnaževanja ultrafiltracijske membrane
V nadaljevanju bomo na kratko predstavili mehanizem in model onesnaženja ultrafiltracijske membrane.
Rezultati testiranja kažejo, da glavni dejavniki, ki povzročajo onesnaženje membrane, vključujejo lastnosti membranskih materialov, interakcijo med membranskimi materiali in obdelano tekočino, koncentracijo in hitrost pretoka obdelane tekočine itd.
Problem umazanije membrane je mogoče učinkovito rešiti z izboljšanjem lastnosti membranskih materialov in razumnim ravnanjem s parametrom ujemanja med membrano in obdelano tekočino.
01 Uporaba membranske tehnologije v industriji oskrbe z vodo in odvodnjavanja
Zaradi široke uporabe ultrafiltracijske membrane na področju oskrbe z vodo in odvodnjavanja se filtracijski upor, ki ga povzroči onesnaženje membrane med delovanjem sistema, zlasti na področju čiščenja odpadne vode, nenehno povečuje, in resno oslabitev membranske filtracije flux je ključ do ovira uporabe in promocije te tehnologije. Namen tega prispevka je izboljšati razumevanje učinkovite uporabe membranske tehnologije na področju oskrbe z vodo in odvodnjavanja s povzemanjem dejavnikov nadzora onesnaževanja eksperimenta onesnaževanja z ultrafiltracijsko membrano.
02 Mehanizem in model onesnaženja ultrafiltracijske membrane
2.1 Mehanizem in model onesnaženja
Teoretično gledano je proces adsorpcije raztopine na površini membrane zapleten, ker vedno poteka konkurenčna adsorpcija med topljencem in topilom oziroma med komponentami adsorpcijske mešanice (membrane) v procesu adsorpcije, zato je adsorpcijska izoterma raztopino je treba izračunati z merjenjem navidezne izotermne adsorpcijske linije in dodajanjem ustreznih podatkov o adsorpciji hlapov. Vendar pa se dejansko s kvalitativnega vidika lahko šteje, da je adsorpcija membrane na topljenec tesno povezana s polarnostjo med obema, membrana polarnih materialov pa teži k močni adsorpciji polarnih snovi in adsorpcija nepolarnih snovi je veliko šibkejša. Nasprotno, film nepolarnih materialov bo bolj verjetno adsorbiral nepolarne topljence.
Po drugi strani pa se po načelu podobne topnosti polarne raztopine zlahka topijo v polarnih topilih, medtem ko se nepolarne raztopine zlahka raztopijo v nepolarnih topilih. Lažje ko se raztopi, manjša je verjetnost, da ga bo adsorbirala površina membrane. Če povzamemo, če je polarnost topljenca bližje topilu in nasproti membrani, je adsorpcija topljenca na površini membrane manjša. Z mikroskopskega vidika sta težavnost adsorpcije na površini membrane in stabilnost adsorpcijske plasti povezani s silo interakcije med makromolekularnim topljencem, površino membrane in makromolekularnim topljencem. Silo med njima na splošno delimo na van der Waalsovo silo in silo dvojne plasti.
2.1.1 Van der Waalsove sile
Velikost Van Goghove sile med dvema telesoma je mogoče označiti s Hamakerjevo sorazmernostno konstanto H. Za ternarni sistem vode (1), topljenca (2) in membrane (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] v formuli 2 so H11, H22 in H33 Hamakerjeve konstante vode, topljenca oziroma membrane. Hidrofobna membrana, H33 se je zmanjšala; Za hidrofobno topljeno snov se je H22 zmanjšal. Oboje lahko povzroči povečanje H213, poveča silo ventilatorja med membrano in topljencem ter poslabša onesnaženje površine membrane. Zato je zaradi hidrofobnih membran in topljencev površina membrane bolj dovzetna za kontaminacijo.
2.1.2 Sila dvojne električne plasti
Ko je membrana v stiku z raztopino, bo površina membrane nabita zaradi ionske adsorpcije, dipolne orientacije, vodikove vezi in drugih učinkov, površinski naboj pa lahko vpliva na porazdelitev ionov v raztopini blizu površine: ione z različnimi naboji privlači površinski naboj in težijo k površini membrane; Ione z enakim nabojem odbija površinski naboj in so daleč od površine membrane, zaradi česar so pozitivni in negativni ioni v raztopini blizu površine membrane ločeni drug od drugega. Hkrati se zaradi toplotnega gibanja pozitivni in negativni ioni nagibajo k vrnitvi k enakomernemu mešanju. V kombinaciji teh dveh nasprotnih trendov se odvečni heterosignalni ioni razpršijo v mediju blizu površine nabitega filma in tvorijo dvojno plast. Ko je elektrifikacija membrane enaka kot pri raztopini, je adsorpcija onesnaženja majhna. Nasprotno, adsorpcija je večja. Količina onesnaženja, adsorbiranega na površini membrane, je odvisna od skupnega rezultata zgornjih dveh sil.
Adsorpcijski model umazanije na membrani je mogoče izraziti z Gibbsovo adsorpcijsko enačbo in Fredrichovo adsorpcijsko enačbo. Med njimi se Gibbsova adsorpcijska enačba osredotoča na adsorpcijsko razmerje v izotermičnih pogojih:
V primeru, da je adsorpcijska toplota povezana s stopnjo pokritosti površine, se uporabi Friedrichova enačba:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Kjer je Γ zmogljivost adsorpcije onesnaženja filma na enoto površine
k, n je korelacijska konstanta in c je ravnotežna koncentracija raztopine
03 Nadzor onesnaževanja membrane
Glede na mehanizem in adsorpcijski model onesnaženja membrane je mogoče onesnaženje membrane nadzorovati s prilagajanjem naslednjih dejavnikov: hidrofilne lastnosti membranskih materialov; Polnilne lastnosti membranskih materialov; Koncentracija raztopine za obdelavo; Hitrost pretoka tekočine za obdelavo.
V tem prispevku smo z ustreznimi poskusi preučevali vplivne dejavnike zgornjih štirih vrst onesnaženja membrane, da bi poiskali nadzor nad spremembami različnih dejavnikov na onesnaženje membrane.
3.1 Eksperimentalna oprema in materiali
Oprema, uporabljena v tem poskusu, vključuje lastno izdelani ploščni ultrafilter, lastno izdelan rezervoar za napajalno tekočino, vodno kopel s super konstantno temperaturo, merilno obtočno črpalko WZJ-II, merilnik izotopov C14, kremenčevo vzmetno lestvico, merilnik višine in tako naprej.
Uporabljeni materiali so standardna raztopina BSA, pripravljena alkoholna fermentacijska raztopina, polisulfon (PS), polisulfon amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) in ultrafiltracijska membrana iz acetatnih vlaken z molekulsko maso 30,000.
3.2 Potek eksperimentalnega cikla in pogoji nadzora
Najprej je ultrafiltracijska membrana iz različnih materialov izdelana v bloke glede na velikost in obliko ultrafiltracijske posode in namočena v čisti vodi 24 ur, teža mokrega filma pa se stehta. Nato se raztopina alkoholne fermentacije ali standardna raztopina BSA različnih koncentracij, pripravljena po isti metodi, vlije v rezervoar za napajalno tekočino. Procesu sledi stalna temperatura in kroženje zračnega tlaka v skladu s postopkom, prikazanim na sliki 1. Po adsorpcijskem ravnovesju ultrafiltracijske membrane se določi teža membranskega bloka po adsorpcijskem ravnovesju, da se določi ravnotežna količina adsorpcije eksperimentalne membrane. blok.
Teža membrane standardne raztopine BSA in raztopine alkoholne fermentacije je bila določena z metodo izotopov C14 in tehtnico s kvarčno vzmetjo oziroma višinometrom. Pretok napajalne tekočine uravnavamo z regulacijskim ventilom in merilno črpalko, merimo pa s štoparico in merilnim cilindrom. Vrednost pH raztopine za alkoholno fermentacijo smo izmerili s pH metrom PHB-4 in uravnali z 1 N raztopino HCl oziroma NaOH.
3.3 Eksperimentalni rezultati in razprava
3.3.1 Poskus hidrofilnosti membranskih materialov
Izbrali smo najbolj reprezentativno hidrofilno membrano, ultrafiltracijsko membrano iz acetatnih vlaken (CA) in najbolj reprezentativno hidrofobno membrano, polisulfonsko ultrafiltracijsko membrano (PS), da bi izvedli primerjalni poskus ravnotežnega adsorpcijskega testa v standardni raztopini BSA in izmerili ravnotežno krivuljo onesnaženosti membrane. z izotopom C14 je prikazano na sliki 2: Kot je razvidno iz slike 2, je adsorpcijska zmogljivost hidrofobne PS membrane za ravnovesje onesnaženja BSA približno 1.0mg/m2, kar je 5-krat več kot pri hidrofilni CA membrani pod enakimi pogoji in čas za doseganje adsorpcijske zmogljivosti ravnovesja onesnaženja je 60 minut, kar je 6-krat več kot pri CA membrani. Vidimo lahko, da membrana iz hidrofilnih materialov zmanjša H213 zaradi povečanja njegovega Hamakerja, s čimer zmanjša silo ventilatorja med materialom membrane in topljencem ter učinkovito zmanjša stopnjo onesnaženosti površine membrane. Iz Gibbsove enačbe je jasno razvidno, da se po določitvi parametrov C, T, R in Γ spreminja samo z θ. Večja kot je hidrofobnost materiala, večji kot je d ( COSθ)/dC, resnejše je onesnaženje membrane.
Poskus je pokazal, da ima hidrofilna membrana prednost nizke adsorpcijske sposobnosti ravnotežja onesnaženosti. Prednost hidrofobne membrane je, da dolgo časa doseže ravnovesje adsorpcije onesnaženja. Zato dejansko sedanja tuja ultrafiltracijska membrana na splošno sprejema prakso kompozitnih hidrofilnih materialov na osnovi hidrofobne osnovne membrane, ki ne le zmanjša onesnaženost površine membrane, temveč tudi podaljša čas za doseganje adsorpcijskega ravnovesja onesnaženja površine membrane, kar učinkovito izboljša delovanje ultrafiltracijske membrane.
3.3.2 Eksperimenti nabojnih lastnosti membranskih materialov
Za primerjalne poskuse smo izbrali bolj reprezentativen pozitivno nabit PAN film in negativno nabit PAN film. Eksperimentalni pogoji so bili: delovanje pod zračnim pritiskom; Temperatura: 25 stopinj; Koncentracija fermentacijske raztopine: 0.333 g/L; pH je 3,5; Pretok: 43,7 cm/min.
Tabela 1 in slika 3 prikazujeta ravnovesno zmogljivost adsorpcije onesnaževanja in krivuljo adsorpcijskega ravnotežja pozitivno nabite in negativno nabite poliakrilonitrilne ultrafiltracijske membrane (PAN) v raztopini alkoholne fermentacije. Iz analize diagrama je razvidno, da je ravnotežna adsorpcijska zmogljivost pozitivno nabite PAN ultrafiltracijske membrane veliko nižja od negativno nabite PAN membrane v okolju kisle pozitivno nabite alkoholne fermentacijske raztopine. Nižja kot je pH vrednost, močnejša je pozitivnost raztopine, večja je razlika med adsorpcijsko zmogljivostjo obeh membran pri ravnotežju onesnaženja in ko je pH vrednost raztopine blizu izoelektrične točke, je adsorpcijska zmogljivost membrane dve membrani sta ponavadi dosledni in razlika med največjo adsorpcijsko zmogljivostjo obeh membran lahko doseže več kot 75 %.
Vidimo lahko, da bo imelo razmerje med membrano in nabojem raztopine (pH vrednost) zaradi učinka dvojne električne plasti zelo velik vpliv na onesnaženje membrane. Ko je naboj membrane enak naboju raztopine, je ujeta topljena snov na splošno daleč stran od površine membrane, zaradi česar je onesnaženje manjše. Ko je naboj membrane nasproten naboju raztopine, se ujeta topljena snov zlahka adsorbira in odloži na površino membrane, kar povzroči večje onesnaženje.
Zato je treba pri čiščenju vode in odvodnjavanja, zlasti v procesu čiščenja odpadne vode, posebno pozornost nameniti polnjenju čistilne tekočine (običajno izraženo v pH). Ko je tekočina za obdelavo kisla, je izbrana pozitivno nabita ultrafiltracijska membrana; Ko je raztopina za obdelavo alkalna, je izbrana negativno nabita ultrafiltracijska membrana.
3.3.3 Koncentracija raztopine za zdravljenje
V skladu s Fredrichovo enačbo Γ=k×c1 / n so bile za določitev izbrane ultrafiltracijske membrane iz štirih materialov, in sicer polialum (PS), polialum amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) in acetatno vlakno (CA). onesnaženje, ki nastane v tekočini alkoholne fermentacije različnih koncentracij. Eksperimentalni pogoji so bili naslednji: tlak; Delovanje pod zračnim pritiskom; temperatura; 25 stopinj; Pretok fermentacijske tekočine: 43,7 cm/min. Eksperimentalni rezultati so prikazani v tabeli 2.
Z linearno regresijo podatkov v tabeli 2 smo dobili Fredrichovo enačbo adsorpcijske zmogljivosti štirih vrst membranskega onesnaženja, kot sledi:
S membrana: Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1
PSA membrana: Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2
PAN membrana: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3
CA membrana: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Iz zgornje enačbe je razvidno, da je adsorpcijska količina onesnaženja na površini filma neposredno povezana s koncentracijo čistilne raztopine. Višja kot je koncentracija čistilne tekočine, močnejša je onesnaženost površine membrane. Pri hidrofilnem filmu je povečanje površinskega onesnaženja zaradi spremembe koncentracije večje od povečanja onesnaženja hidrofobnega filma. Zato pri čiščenju vode, zlasti v industriji čiščenja odplak, uporaba redčenja s povratnim tokom filtrirane vode in drugih sredstev za zmanjšanje koncentracije čistilne tekočine pomembno vpliva na nadzor in zmanjšanje onesnaženosti površine filma.
3.3.4 Hitrost pretoka čistilne tekočine
Vpliv pretoka čistilne tekočine na površinsko onesnaženje membrane je bil analiziran s poskusi adsorpcije onesnaženja membran CA in PS pri različnih pretokih. FIG. 4 in sl. 5 je pokazala ravnotežno adsorpcijsko zmogljivost ultrafiltracijskih membran CA in PS med kroženjem votlega tlaka tekočine za alkoholno fermentacijo v eksperimentalnih pogojih 25 stopinj. pH vrednost je 3,5. Iz podatkovnega diagrama lahko potegnemo naslednje zaključke: ravnotežna adsorpcijska sposobnost hidrofilnih in hidrofobnih membran je linearno obratno sorazmerna s pretokom filtrata. Delež ravnotežne adsorpcije onesnaženja hidrofilne membrane se je zmanjšal s povečanjem hitrosti pretoka in je bil večji kot pri hidrofobni membrani.
To je zato, ker povečanje pretoka tekočine za obdelavo ne prispeva le k zmanjšanju pojava koncentracijske polarizacije na površini filma, s čimer se zmanjša onesnaženost površine filma, ampak prispeva tudi k zmanjšanju onesnaženosti površine filma zaradi strižnega učinka tekočina visoke hitrosti na površini filma. Hkrati bo povečanje pretoka povečalo učinek mikro mešanja raztopine za obdelavo, pospešilo raztapljanje topljenca in zmanjšalo pojav onesnaženja membrane.
3.3.5 Druge metode
Poleg tega je ustrezna predobdelava površine membrane in obdelava tudi učinkovita metoda za nadzor onesnaženosti površine membrane. JA Howell et al. uporabil metodo fiksiranja papajaze v ultrafiltracijski membrani za razgradnjo sirotke, ki se je odložila na površini membrane, kar je močno zmanjšalo onesnaženje membrane. Poleg tega je polisulfonska ultrafiltracijska membrana, obdelana s Tween80, močno zmanjšala površinsko onesnaženje membrane med ultrafiltracijo raztopine BSA, kar je dobro sredstvo za obdelavo za zmanjšanje površinskega onesnaženja membrane.
04 Zaključek
Ključni problem uporabe ultrafiltracijske membrane na področju vodooskrbe in odvajanja je zmanjšanje pretoka zaradi onesnaženja membrane. Glavni dejavniki, ki povzročajo površinsko onesnaženje ultrafiltracijske membrane, vključujejo: lastnosti membranskih materialov, sodelovanje med membranskimi materiali in čistilno tekočino, koncentracijo in hitrost pretoka čistilne tekočine in druge dejavnike. Z nadaljnjim izboljšanjem lastnosti membranskih materialov in razumnim ravnanjem z različnimi parametri, ki se ujemajo med membrano in čistilno tekočino, je mogoče učinkovito rešiti ta težaven problem, tako da se lahko ultrafiltracijska membrana širše uporablja na področju oskrbe z vodo in odvodnjavanja. Hangzhou Jiuling Technology bo v prihodnosti naredila tudi več raziskovalnih in razvojnih metod pri reševanju membranskega onesnaženja, da bi izboljšala status quo.
