Механізм і контроль забруднення ультрафільтраційних мембран

Oct 25, 2024

Далі буде коротко представлено механізм і модель забруднення ультрафільтраційної мембрани.

Результати випробувань показують, що основні фактори, що спричиняють забруднення мембрани, включають властивості матеріалів мембрани, взаємодію між матеріалами мембрани та обробленою рідиною, концентрацію та швидкість потоку обробленої рідини тощо.

Проблему забруднення мембрани можна ефективно вирішити шляхом покращення властивостей мембранних матеріалів і розумного поводження з відповідністю параметрів між мембраною та обробленою рідиною.

Завдяки широкому застосуванню ультрафільтраційної мембрани у сфері водопостачання та водовідведення опір фільтрації, спричинений забрудненням мембрани під час роботи системи, особливо в галузі очищення стічних вод, постійно зростає, а значне ослаблення мембранної фільтрації flux є ключем до перешкоджання застосуванню та просуванню цієї технології. Ця стаття має на меті покращити розуміння ефективного застосування мембранної технології у сфері водопостачання та дренажу шляхом узагальнення факторів контролю забруднення експерименту із забрудненням ультрафільтраційної мембрани.

Теоретично процес адсорбції розчину на поверхні мембрани є складним, оскільки між розчиненою речовиною та розчинником або між компонентами суміші адсорбенту (мембрани) у процесі адсорбції завжди існує конкурентна адсорбція, тому ізотерма адсорбції розчин повинен бути розрахований шляхом вимірювання уявної ізотермічної лінії адсорбції та додавання відповідних даних адсорбції парів. Однак насправді, з якісної точки зору, можна вважати, що адсорбція мембрани на розчинену речовину тісно пов’язана з полярністю між ними, і мембрана з полярних матеріалів має тенденцію сильно адсорбувати полярні речовини, і адсорбція неполярних речовин значно слабша. Навпаки, плівка з неполярних матеріалів швидше адсорбує неполярні розчини.

З іншого боку, згідно з принципом подібної розчинності, полярні розчини легко розчиняються в полярних розчинниках, тоді як неполярні розчини легко розчиняються в неполярних розчинниках. Чим легше він розчиняється, тим менша ймовірність його адсорбування поверхнею мембрани. Таким чином, якщо полярність розчиненої речовини ближча до розчинника та протилежна мембрані, адсорбція розчиненої речовини на поверхні мембрани менша. З мікроскопічної точки зору, складність адсорбції на поверхні мембрани та стабільність адсорбційного шару пов’язані із силою взаємодії між макромолекулярною розчиненою речовиною, поверхнею мембрани та макромолекулярною розчиненою речовиною. Сила між ними зазвичай поділяється на силу Ван-дер-Ваальса та силу подвійного шару.

Величина сили Ван Гога між двома тілами може бути охарактеризована константою пропорційності Гамакера H. Для потрійної системи води (1), розчиненої речовини (2) і мембрани (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] у формулі 2, H11, H22 і H33 є константами Гамакера води, розчиненої речовини та мембрани відповідно. Гідрофобна мембрана, H33 зменшилася; Для гідрофобної розчиненої речовини H22 зменшився. Обидва вони можуть призвести до збільшення H213, збільшити силу вентилятора між мембраною та розчиненою речовиною та посилити забруднення поверхні мембрани. Тому як гідрофобні мембрани, так і розчинені речовини роблять поверхню мембрани більш сприйнятливою до забруднення.

Коли мембрана контактує з розчином, поверхня мембрани буде заряджена через іонну адсорбцію, дипольну орієнтацію, водневий зв’язок та інші ефекти, і поверхневий заряд може впливати на розподіл іонів у розчині біля поверхні: різнозаряджені іони притягуються поверхневим зарядом і прагнуть до поверхні мембрани; Іони з однаковим зарядом відштовхуються поверхневим зарядом і знаходяться далеко від поверхні мембрани, що робить позитивні та негативні іони в розчині поблизу поверхні мембрани відокремленими один від одного. У той же час тепловий рух змушує позитивні та негативні іони повертатися до рівномірного змішування. При поєднанні цих двох протилежних тенденцій надлишок іонів гетеросигналу дифундує в середовищі біля поверхні зарядженої плівки з утворенням подвійного шару. Коли електризація мембрани така ж, як і розчину, адсорбція забруднення невелика. Навпаки, адсорбція більша. Кількість забруднень, адсорбованих на поверхні мембрани, залежить від спільного результату двох вищевказаних сил.

Адсорбційна модель забруднення мембрани може бути виражена рівнянням адсорбції Гіббса та рівнянням адсорбції Фредріха. Серед них адсорбційне рівняння Гіббса фокусується на адсорбційному зв’язку в ізотермічних умовах:

У випадку, коли теплота адсорбції пов’язана зі ступенем покриття поверхні, використовується рівняння Фрідріха:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Де, Γ – здатність плівки до адсорбції забруднень на одиницю площі

k, n кореляційна постійна і c рівноважна концентрація розчину

Відповідно до механізму та адсорбційної моделі забруднення мембрани, забрудненням мембрани можна керувати, регулюючи такі фактори: гідрофільні властивості матеріалів мембрани; Зарядні властивості мембранних матеріалів; Концентрація лікувального розчину; Швидкість потоку очисної рідини.

У цій статті за допомогою відповідних експериментів досліджено вплив факторів чотирьох вищевказаних типів забруднення мембрани з метою пошуку контролю за змінами різних факторів забруднення мембрани.

Обладнання, що використовується в цьому експерименті, включає саморобний пластинчастий ультрафільтр, саморобний резервуар для живильної рідини, водяну баню з надпостійною температурою, циркуляційний насос WZJ-II, вимірювач ізотопів C14, кварцову пружинну шкалу, ростомір тощо.

Використані матеріали: стандартний розчин BSA, готовий спиртовий розчин для бродіння, полісульфон (PS), полісульфонамід (PSA), поліакрилонітрил (PAN) і пластинчаста ультрафільтраційна мембрана з ацетатного волокна з молекулярною масою 30 000.

По-перше, ультрафільтраційна мембрана з різних матеріалів складається з блоків відповідно до розміру та форми резервуара для ультрафільтрації та замочується в чистій воді протягом 24 годин, після чого вага вологої плівки зважується. Потім розчин спиртового бродіння або стандартний розчин БСА різної концентрації, приготовлений таким же методом, заливають відповідно в резервуар живильної рідини. Процес супроводжується постійною температурою та циркуляцією тиску повітря відповідно до процесу, показаного на малюнку 1. Після досягнення адсорбційної рівноваги ультрафільтраційної мембрани визначається вага мембранного блоку після адсорбційної рівноваги, щоб визначити рівноважну кількість адсорбції експериментальної мембрани. блокувати.

Масу мембрани стандартного розчину BSA та розчину спиртового бродіння визначали ізотопним методом С14 та кварцовими пружинними вагами та ростоміром відповідно. Витрата живильної рідини контролюється регулюючим клапаном і вимірювальним насосом, а вимірюється секундоміром і мірним циліндром. Значення рН спиртового ферментаційного розчину вимірювали рН-метром PHB-4 і регулювали 1N розчинами HCl і NaOH відповідно.

Ми вибрали найбільш репрезентативний гідрофільний мембранний матеріал, ультрафільтраційну мембрану з ацетатного волокна (CA) і найбільш репрезентативний гідрофобний мембранний матеріал, полісульфонову ультрафільтраційну мембрану (PS), щоб провести порівняльний експеримент тесту на рівноважну адсорбцію в стандартному розчині BSA та виміряної кривої рівноваги забруднення мембрани. за ізотопом C14 показано на малюнку 2: як видно з малюнка 2, адсорбційна здатність гідрофобної PS-мембрани для рівноваги забруднення BSA становить близько 1.0мг/м2, що в 5 разів більше, ніж у гідрофільної мембрани CA за тих самих умов, а час досягнення адсорбційної здатності рівноваги забруднення становить 60 хвилин, що в 6 разів більше, ніж у мембрани CA. Можна побачити, що мембрана, виготовлена з гідрофільних матеріалів, знижує H213 завдяки збільшенню його Hamaker, таким чином зменшуючи силу вентилятора між матеріалом мембрани та розчиненою речовиною та ефективно знижуючи рівень забруднення поверхні мембрани. З рівняння Гіббса чітко видно, що після визначення параметрів C, T, R і Γ змінюється лише з θ. Чим сильніша гідрофобність матеріалу, чим більше d (COSθ)/dC, тим серйозніше забруднення мембрани.

Експеримент показав, що гідрофільна мембрана має перевагу низької рівноважної адсорбційної здатності забруднення. Гідрофобна мембрана має перевагу в тому, що довго досягає рівноваги адсорбції забруднення. Тому фактично сучасна іноземна ультрафільтраційна мембрана зазвичай використовує практику композитних гідрофільних матеріалів на основі гідрофобної базової мембрани, яка не тільки зменшує забруднення поверхні мембрани, але також продовжує час для досягнення адсорбційного балансу забруднення поверхні мембрани, що ефективно покращує продуктивність ультрафільтраційної мембрани.

Ми вибрали більш репрезентативну позитивно заряджену плівку PAN і негативно заряджену плівку PAN для проведення порівняльних експериментів. Умовами експерименту були: робота під тиском повітря; Температура: 25 градусів; Концентрація ферментаційного розчину: 0.333 г/л; pH 3,5; Швидкість потоку: 43,7 см/хв.

Таблиця 1 і малюнок 3 показують рівноважну адсорбційну здатність до забруднення та криву адсорбційної рівноваги позитивно зарядженої та негативно зарядженої поліакрилонітрильної ультрафільтраційної мембрани (PAN) у розчині спиртового бродіння відповідно. З аналізу діаграми видно, що рівноважна адсорбційна здатність позитивно зарядженої ультрафільтраційної мембрани PAN значно нижча, ніж негативно зарядженої мембрани PAN у середовищі кислого позитивно зарядженого розчину спиртового бродіння. Чим нижче значення рН, тим сильніша позитивність розчину, тим більша різниця між рівноважною адсорбційною здатністю забруднення двох мембран, і коли значення рН розчину близьке до ізоелектричної точки, адсорбційна здатність мембрани дві мембрани мають тенденцію бути узгодженими, і різниця між максимальною адсорбційною здатністю двох мембран може досягати більше 75%.

Можна побачити, що завдяки ефекту подвійного електричного шару співвідношення між мембраною та зарядом розчину (значення рН) матиме дуже великий вплив на забруднення мембрани. Коли заряд мембрани такий самий, як і заряд розчину, захоплена розчинена речовина зазвичай знаходиться далеко від поверхні мембрани, що призводить до меншого забруднення. Коли заряд мембрани протилежний заряду розчину, захоплена розчинена речовина легко адсорбується та осідає на поверхні мембрани, що призводить до більшого забруднення.

Таким чином, у системі водопостачання та водовідведення, особливо в процесі очищення стічних вод, особливу увагу слід приділяти додаванню очисної рідини (зазвичай виражається в pH). Коли рідина для обробки кисла, вибирається позитивно заряджена ультрафільтраційна мембрана; Коли розчин для обробки є лужним, вибирається негативно заряджена ультрафільтраційна мембрана.

Відповідно до рівняння Фредріха Γ=k×c1 / n для визначення були обрані ультрафільтраційні мембрани з чотирьох матеріалів, а саме поліалюму (PS), поліалюміду (PSA), поліакрилонітрилу (PAN) та ацетатного волокна (CA). забруднення, що утворюються в рідині спиртового бродіння різної концентрації. Умови експерименту були наступними: тиск; Робота під тиском повітря; температура; 25 градусів; Швидкість потоку ферментаційної рідини: 43,7 см/хв. Експериментальні результати наведені в таблиці 2.

Шляхом лінійної регресії даних у таблиці 2 було отримано рівняння Фредріха для адсорбційної здатності чотирьох видів забруднення мембрани таким чином:

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
З наведеного вище рівняння видно, що адсорбційна кількість забруднення на поверхні плівки безпосередньо залежить від концентрації розчину для обробки. Чим вище концентрація очисної рідини, тим сильніше забруднення поверхні мембрани. Для гідрофільної плівки збільшення забруднення поверхні, спричинене зміною концентрації, є більшим, ніж збільшення забруднення гідрофобної плівки. Таким чином, у обробці води, особливо в промисловості очищення стічних вод, використання зворотного розведення відфільтрованої води та інших засобів для зменшення концентрації очисної рідини має значний вплив на контроль і зменшення забруднення поверхні плівки.

Вплив швидкості потоку рідини для обробки на поверхневе забруднення мембрани було проаналізовано за допомогою експериментів з адсорбції забруднення мембранами CA і PS при різних швидкостях потоку. ФІГ. 4 і ФІГ. 5 показано рівноважну адсорбційну здатність ультрафільтраційних мембран CA та PS під час циркуляції рідини спиртового бродіння під тиском у порожнистій частині відповідно в експериментальних умовах 25 градусів. Значення pH становить 3,5. З діаграми даних можна зробити такі висновки: рівноважна адсорбційна здатність гідрофільних і гідрофобних мембран лінійно обернено пропорційна швидкості потоку фільтрату. Частка рівноважної адсорбції забруднень гідрофільної мембрани зменшувалася зі збільшенням швидкості потоку була більшою, ніж у гідрофобної мембрани.

Це пояснюється тим, що збільшення швидкості потоку рідини для обробки не тільки сприяє зменшенню явища поляризації концентрації на поверхні плівки, таким чином зменшуючи забруднення поверхні плівки, але також сприяє зменшенню забруднення поверхні плівки через ефект зсуву високошвидкісна рідина на поверхні плівки. У той же час збільшення швидкості потоку також збільшить ефект мікроперемішування розчину для обробки, сприятиме розчиненню розчиненої речовини та зменшить виникнення забруднення мембрани.

Крім того, належна попередня обробка поверхні мембрани та обробка також є ефективним методом контролю забруднення поверхні мембрани. JA Howell та ін. використовували метод фіксації папаязи в ультрафільтраційній мембрані для розкладання сироватки, що осідає на поверхні мембрани, що значно зменшило забруднення мембрани. Крім того, полісульфонова ультрафільтраційна мембрана, оброблена Tween80, значно зменшила забруднення поверхні мембрани під час ультрафільтрації розчину BSA, що є хорошим засобом обробки для зменшення забруднення поверхні мембрани.

Ключовою проблемою застосування ультрафільтраційної мембрани у сфері водопостачання та водовідведення є зменшення потоку, спричинене забрудненням мембрани. Основні фактори, що спричиняють забруднення поверхні ультрафільтраційної мембрани, включають: властивості матеріалів мембрани, взаємодію між матеріалами мембрани та рідиною для обробки, концентрацію та швидкість потоку рідини для обробки та інші фактори. Шляхом подальшого вдосконалення властивостей мембранних матеріалів і розумного поводження з різними параметрами, відповідними між мембраною та очисною рідиною, цю складну проблему можна ефективно вирішити, так що ультрафільтраційна мембрана може бути більш широко використана в галузі водопостачання та водовідведення. Hangzhou Jiuling Technology також розробить більше методів дослідження та розробки у вирішенні забруднення мембран у майбутньому, щоб покращити статус-кво.

Пара: Дослідження застосування глибокої фільтрації в процесі виробництва вакцини проти ящуру

Наступний: Технологія інактивації та видалення вірусів препаратів крові