Mehanizam i kontrola onečišćenja ultrafiltracijske membrane

U nastavku ćemo ukratko predstaviti mehanizam i model onečišćenja ultrafiltracijske membrane.

Rezultati ispitivanja pokazuju da glavni čimbenici koji uzrokuju onečišćenje membrane uključuju svojstva materijala membrane, interakciju između materijala membrane i obrađene tekućine, koncentraciju i brzinu protoka obrađene tekućine itd.

Problem onečišćenja membrane može se učinkovito riješiti poboljšanjem svojstava materijala membrane i razumnim rukovanjem usklađivanjem parametara između membrane i obrađene tekućine.

 

01 Primjena membranske tehnologije u industriji vodoopskrbe i odvodnje

 

Zbog široke primjene ultrafiltracijske membrane u području vodoopskrbe i odvodnje, otpor filtracije uzrokovan onečišćenjem membrane tijekom rada sustava, posebno u području pročišćavanja otpadnih voda, stalno raste, a ozbiljno slabljenje membranske filtracije flux je ključ za sprječavanje primjene i promicanja ove tehnologije. Ovaj rad ima za cilj poboljšati razumijevanje učinkovite primjene membranske tehnologije u području vodoopskrbe i odvodnje sažimanjem faktora kontrole onečišćenja eksperimenta onečišćenja ultrafiltracijske membrane.

 

02 Mehanizam i model onečišćenja ultrafiltracijske membrane

 

2.1 Mehanizam i model onečišćenja

Teorijski gledano, proces adsorpcije otopine na površini membrane je kompliciran jer uvijek postoji kompetitivna adsorpcija između otopljene tvari i otapala ili između komponenti adsorpcijske smjese (membrane) u procesu adsorpcije, pa adsorpcijska izoterma otopina se mora izračunati mjerenjem prividne izotermne adsorpcijske linije i dodavanjem odgovarajućih podataka o adsorpciji pare. Međutim, zapravo, s kvalitativnog gledišta, može se smatrati da je adsorpcija membrane na otopljenu tvar usko povezana s polaritetom između njih dvoje, a membrana polarnih materijala ima tendenciju snažnog adsorbiranja polarnih tvari, a adsorpcija nepolarnih tvari znatno je slabija. Naprotiv, veća je vjerojatnost da će film nepolarnih materijala adsorbirati nepolarne otopljene tvari.

S druge strane, prema načelu slične topljivosti, polarne otopljene tvari lako se otapaju u polarnim otapalima, dok se nepolarne otopljene tvari lako otapaju u nepolarnim otapalima. Što se lakše otapa, manja je vjerojatnost da će ga površina membrane apsorbirati. Ukratko, ako je polaritet otopljene tvari bliži otapalu, a nasuprot membrani, adsorpcija otopljene tvari na površini membrane je manja. S mikroskopskog gledišta, teškoća adsorpcije na površini membrane i stabilnost adsorpcijskog sloja povezani su sa silom interakcije između makromolekularne otopljene tvari, površine membrane i makromolekularne otopljene tvari. Sila između njih općenito se dijeli na van der Waalsovu silu i silu dvostrukog sloja.

 

2.1.1 Van der Waalsove sile

Veličina Van Goghove sile između dva tijela može se karakterizirati Hamakerovom konstantom proporcionalnosti H. Za trojni sustav vode (1), otopljene tvari (2) i membrane (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] u formuli 2, H11, H22 i H33 su Hamakerove konstante vode, otopljene tvari i membrane. Hidrofobna membrana, H33 smanjena; Za hidrofobnu otopljenu tvar, H22 se smanjio. Oba mogu dovesti do povećanja H213, povećati silu ventilatora između membrane i otopljene tvari i pogoršati onečišćenje površine membrane. Stoga i hidrofobne membrane i otopljene tvari čine površinu membrane osjetljivijom na kontaminaciju.

 

2.1.2 Sila dvostrukog električnog sloja

Kada je membrana u kontaktu s otopinom, površina membrane bit će nabijena zbog ionske adsorpcije, dipolne orijentacije, vodikove veze i drugih učinaka, a površinski naboj može utjecati na raspodjelu iona u otopini blizu površine: ioni s različitim nabojem privlače se površinskim nabojem i teže površini membrane; Ioni s istim nabojem odbijaju se površinskim nabojem i udaljeni su od površine membrane, zbog čega su pozitivni i negativni ioni u otopini blizu površine membrane odvojeni jedni od drugih. U isto vrijeme, toplinsko gibanje čini da pozitivni i negativni ioni imaju tendenciju da se vrate ravnomjernom miješanju. Pod kombinacijom ova dva suprotna trenda, višak heterosignalnih iona raspršuje se u mediju blizu površine nabijenog filma kako bi se formirao dvostruki sloj. Kada je elektrifikacija membrane ista kao i otopina, adsorpcija onečišćenja je mala. Naprotiv, adsorpcija je veća. Količina onečišćenja adsorbiranog na površini membrane ovisi o kombiniranom rezultatu gore navedenih dviju sila.

 

Adsorpcijski model onečišćenja membrane može se izraziti Gibbsovom adsorpcijskom jednadžbom i Fredrichovom adsorpcijskom jednadžbom. Među njima, Gibbsova adsorpcijska jednadžba fokusira se na adsorpcijski odnos u izotermnim uvjetima:

U slučaju kada je toplina adsorpcije povezana sa stupnjem pokrivenosti površine, koristi se Friedrichova jednadžba:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Gdje je Γ kapacitet adsorpcije onečišćenja filma po jedinici površine

k, n je konstanta korelacije i c je ravnotežna koncentracija otopine

 

03 Kontrola onečišćenja membrane

Sukladno mehanizmu i adsorpcijskom modelu onečišćenja membrane, onečišćenje membrane može se kontrolirati podešavanjem sljedećih čimbenika: hidrofilnih svojstava materijala membrane; Svojstva punjenja membranskih materijala; Koncentracija otopine za tretiranje; Brzina protoka tekućine za tretman.

U ovom radu relevantnim pokusima proučavani su čimbenici utjecaja navedene četiri vrste onečišćenja membrane, kako bi se tražila kontrola promjena različitih čimbenika na onečišćenje membrane.

 

3.1 Eksperimentalna oprema i materijali

Oprema korištena u ovom eksperimentu uključuje pločasti ultrafilter vlastite izrade, spremnik tekućine za punjenje vlastite izrade, vodenu kupelj super konstantne temperature, WZJ-II mjernu cirkulacijsku pumpu, mjerač izotopa C14, kvarcnu opružnu vagu, mjerač visine i tako dalje.

Korišteni materijali su standardna BSA otopina, pripremljena alkoholna fermentacijska otopina, polisulfon (PS), polisulfon amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) i pločasta ultrafiltracijska membrana od acetatnih vlakana molekularne težine 30,000.

 

3.2 Tok eksperimentalnog ciklusa i uvjeti upravljanja

Najprije se ultrafiltracijska membrana od različitih materijala izrađuje u blokove u skladu s veličinom i oblikom ultrafiltracijskog spremnika i natapa u čistoj vodi 24 sata, a težina mokrog filma se važe. Zatim se otopina alkoholne fermentacije ili standardna BSA otopina različitih koncentracija pripremljena istom metodom ulije u spremnik tekućine za punjenje. Nakon procesa slijedi konstantna temperatura i cirkulacija tlaka zraka u skladu s postupkom prikazanim na slici 1. Nakon adsorpcijske ravnoteže ultrafiltracijske membrane, određuje se težina membranskog bloka nakon adsorpcijske ravnoteže kako bi se odredila ravnotežna količina adsorpcije eksperimentalne membrane. blokirati.

Težina membrane standardne otopine BSA i otopine alkoholne fermentacije određena je metodom izotopa C14 i kvarcnom opružnom vagom i visinometrom. Protok napojne tekućine kontrolira se regulacijskim ventilom i mjernom pumpom, a mjeri štopericom i mjernim cilindrom. pH vrijednost otopine alkoholne fermentacije izmjerena je PHB-4 pH metrom i podešena 1N otopinom HCl odnosno NaOH.

 

3.3 Eksperimentalni rezultati i rasprava

3.3.1 Eksperiment hidrofilnosti membranskih materijala

Odabrali smo najreprezentativniju hidrofilnu membranu od acetatnih vlakana ultrafiltracijsku membranu (CA) i najreprezentativniju hidrofobnu membranu od polisulfonske ultrafiltracijske membrane (PS) kako bismo proveli usporedni eksperiment ravnotežnog testa adsorpcije u standardnoj otopini BSA i izmjerenu krivulju ravnoteže onečišćenja membrane. izotopom C14 prikazano je na slici 2: Kao što se može vidjeti na slici 2, adsorpcijski kapacitet hidrofobne PS membrane za ravnotežu onečišćenja BSA je oko 1.0mg/m2, što je 5 puta više od hidrofilne CA membrane pod istim uvjetima, a vrijeme za postizanje adsorpcijskog kapaciteta ravnoteže onečišćenja je 60 minuta, što je 6 puta više od CA membrane. Može se vidjeti da membrana izrađena od hidrofilnih materijala smanjuje H213 zbog povećanja njegovog Hamakera, čime se smanjuje sila ventilatora između materijala membrane i otopljene tvari i učinkovito smanjuje razina onečišćenja površine membrane. Iz Gibbsove jednadžbe jasno je vidljivo da se nakon određivanja parametara C, T, R i , Γ mijenja samo s θ. Što je veća hidrofobnost materijala, što je veći d (COSθ)/dC, to je zagađenje membrane ozbiljnije.
 

Eksperiment je pokazao da hidrofilna membrana ima prednost niskog kapaciteta adsorpcije ravnoteže onečišćenja. Hidrofobna membrana ima prednost dugo vremena za postizanje ravnoteže adsorpcije onečišćenja. Stoga, zapravo, trenutna strana ultrafiltracijska membrana općenito usvaja praksu kompozitnih hidrofilnih materijala na bazi hidrofobne bazne membrane, koja ne samo da smanjuje onečišćenje površine membrane, već i produljuje vrijeme za postizanje adsorpcijske ravnoteže onečišćenja površine membrane, što učinkovito poboljšava rad ultrafiltracijske membrane.

 

3.3.2 Eksperimenti svojstava naboja membranskih materijala

Odabrali smo reprezentativniji pozitivno nabijeni PAN film i negativno nabijeni PAN film za usporedne pokuse. Eksperimentalni uvjeti bili su: rad pod pritiskom zraka; Temperatura: 25 stupnjeva; Koncentracija fermentacijske otopine: 0.333 g/L; pH je 3,5; Brzina protoka: 43,7 cm/min.

Tablica 1 i Slika 3 prikazuju ravnotežni kapacitet adsorpcije onečišćenja i krivulju adsorpcijske ravnoteže pozitivno nabijene i negativno nabijene poliakrilonitrilne ultrafiltracijske membrane (PAN) u otopini alkoholne fermentacije. Iz analize dijagrama može se vidjeti da je ravnotežni adsorpcijski kapacitet pozitivno nabijene PAN ultrafiltracijske membrane puno niži nego negativno nabijene PAN membrane u okruženju kisele pozitivno nabijene otopine alkoholne fermentacije. Što je pH vrijednost niža, to je veća pozitivnost otopine, veća je razlika između kapaciteta adsorpcije ravnoteže onečišćenja dviju membrana, a kada je pH vrijednost otopine blizu izoelektrične točke, kapacitet adsorpcije dvije membrane imaju tendenciju da budu konzistentne i razlika između maksimalnog adsorpcijskog kapaciteta dviju membrana može doseći više od 75%.

Može se vidjeti da će zbog učinka dvostrukog električnog sloja odnos između membrane i naboja otopine (pH vrijednost) imati vrlo veliki utjecaj na onečišćenje membrane. Kada je naboj membrane jednak naboju otopine, zarobljena otopljena tvar općenito je daleko od površine membrane, što rezultira manjim onečišćenjem. Kada je naboj membrane suprotan naboju otopine, zarobljena otopljena tvar se lako adsorbira i taloži na površini membrane, što dovodi do većeg onečišćenja.

Stoga, u pročišćavanju vode i odvodnje, posebno u procesu pročišćavanja otpadnih voda, posebnu pozornost treba obratiti na punjenje tekućine za pročišćavanje (obično izraženo u pH). Kada je tekućina za tretman kisela, odabire se pozitivno nabijena ultrafiltracijska membrana; Kada je otopina za tretman alkalna, odabire se negativno nabijena ultrafiltracijska membrana.

 

3.3.3 Koncentracija otopine za tretiranje

Prema Fredrichovoj jednadžbi Γ=k×c1 / n, ultrafiltracijske membrane od četiri materijala, naime polialum (PS), polialum amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) i acetatno vlakno (CA), odabrane su za određivanje onečišćenja nastala u tekućini alkoholnog vrenja različitih koncentracija. Eksperimentalni uvjeti bili su sljedeći: tlak; Rad pod pritiskom zraka; Temperatura; 25 stupnjeva; Brzina protoka fermentacijske tekućine: 43,7 cm/min. Eksperimentalni rezultati prikazani su u tablici 2.

Linearnom regresijom podataka u tablici 2, Fredrichova jednadžba adsorpcijskog kapaciteta četiriju vrsta onečišćenja membrane dobivena je kako slijedi:

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 gornje jednadžbe može se vidjeti da je adsorpcijska količina onečišćenja na površini filma izravno povezana s koncentracijom otopine za obradu. Što je veća koncentracija tekućine za tretman, to je veće zagađenje površine membrane. Za hidrofilni film, povećanje onečišćenja površine uzrokovano promjenom koncentracije veće je od povećanja onečišćenja hidrofobnog filma. Stoga, u pročišćavanju vode, posebno u industriji pročišćavanja otpadnih voda, korištenje filtrirane vode za povratno razrjeđivanje i drugih sredstava za smanjenje koncentracije tekućine za pročišćavanje ima značajan učinak na kontrolu i smanjenje onečišćenja površine filma.

 

3.3.4 Brzina protoka tekućine za obradu

Utjecaj brzine protoka tekućine za obradu na površinsko onečišćenje membrane analiziran je kroz pokuse adsorpcije onečišćenja CA i PS membrana pri različitim brzinama protoka. SLIKA 4 i SL. Slika 5 pokazuje ravnotežni adsorpcijski kapacitet CA i PS ultrafiltracijskih membrana tijekom šuplje cirkulacije pod pritiskom tekućine alkoholne fermentacije, pod eksperimentalnim uvjetima od 25 stupnjeva. pH vrijednost je 3,5. Iz dijagrama podataka mogu se izvući sljedeći zaključci: ravnotežni kapacitet adsorpcije onečišćenja i hidrofilnih i hidrofobnih membrana linearno je obrnuto proporcionalan brzini protoka filtrata. Udio ravnotežne adsorpcije onečišćenja hidrofilne membrane smanjivao se s povećanjem brzine protoka bio je veći nego kod hidrofobne membrane.

To je zato što povećanje brzine protoka tekućine za obradu ne samo da doprinosi smanjenju fenomena polarizacije koncentracije na površini filma, čime se smanjuje onečišćenje površine filma, već također doprinosi smanjenju onečišćenja površine filma zbog efekta smicanja fluid velike brzine na površini filma. U isto vrijeme, povećanje brzine protoka također će povećati učinak mikromiješanja otopine za tretman, pospješiti otapanje otopljene tvari i smanjiti pojavu onečišćenja membrane.

 

3.3.5 Ostale metode

Osim toga, odgovarajuća prethodna obrada površine membrane i obrada također je učinkovita metoda za kontrolu onečišćenja površine membrane. JA Howell i sur. koristili su metodu fiksiranja papajaze u ultrafiltracijskoj membrani za razgradnju sirutke nataložene na površini membrane, što je uvelike smanjilo onečišćenje membrane. Osim toga, polisulfonska ultrafiltracijska membrana tretirana Tweenom80 uvelike je smanjila onečišćenje površine membrane tijekom ultrafiltracije otopine BSA, što je dobar tretman za smanjenje onečišćenja površine membrane.

 

04 Zaključak

Ključni problem primjene ultrafiltracijske membrane u području vodoopskrbe i odvodnje je smanjenje protoka uzrokovano onečišćenjem membrane. Glavni čimbenici koji uzrokuju površinsko onečišćenje ultrafiltracijske membrane uključuju: svojstva materijala membrane, suradnju između materijala membrane i tekućine za obradu, koncentraciju i brzinu protoka tekućine za obradu i druge čimbenike. Daljnjim poboljšanjem svojstava membranskih materijala i razumnim rukovanjem različitim parametrima usklađivanja između membrane i tekućine za obradu, ovaj težak problem može se učinkovito riješiti, tako da se ultrafiltracijska membrana može više koristiti u području vodoopskrbe i odvodnje. Hangzhou Jiuling Technology će također napraviti više istraživačkih i razvojnih metoda u rješenju onečišćenja membrane u budućnosti kako bi se poboljšao status quo.