Mecanisme i control de la contaminació de la membrana d'ultrafiltració
A continuació es presentarà breument el mecanisme i el model de contaminació de la membrana d'ultrafiltració.
Els resultats de la prova mostren que els principals factors que causen la contaminació de la membrana inclouen les propietats dels materials de la membrana, la interacció entre els materials de la membrana i el líquid tractat, la concentració i el cabal del líquid tractat, etc.
El problema de la contaminació de la membrana es pot resoldre de manera eficaç millorant les propietats dels materials de la membrana i manipulant raonablement la concordança de paràmetres entre la membrana i el líquid tractat.
01 Aplicació de la tecnologia de membranes a la indústria del subministrament d'aigua i drenatge
A causa de l'àmplia aplicació de la membrana d'ultrafiltració en el camp del subministrament d'aigua i el drenatge, la resistència a la filtració causada per la contaminació de la membrana durant el funcionament del sistema, especialment en el camp del tractament d'aigües residuals, augmenta constantment i la greu atenuació de la filtració per membrana flux és la clau per dificultar l'aplicació i la promoció d'aquesta tecnologia. Aquest article pretén millorar la comprensió de l'aplicació efectiva de la tecnologia de membranes en el camp del subministrament d'aigua i el drenatge resumint els factors de control de la contaminació de l'experiment de contaminació de membrana d'ultrafiltració.
02 Mecanisme i model de contaminació per membrana d'ultrafiltració
2.1 Mecanisme i model de contaminació
Teòricament parlant, el procés d'adsorció de la solució a la superfície de la membrana és complicat perquè sempre hi ha una adsorció competitiva entre el solut i el dissolvent o entre els components de la mescla adsorbent (membrana) en el procés d'adsorció, de manera que la isoterma d'adsorció de la solució s'ha de calcular mesurant la línia d'adsorció isotèrmica aparent i afegint les dades adequades d'adsorció de vapor. Tanmateix, de fet, des d'un punt de vista qualitatiu, es pot considerar que l'adsorció de la membrana al solut està estretament relacionada amb la polaritat entre ambdós, i la membrana dels materials polars tendeix a adsorbir fortament les substàncies polars, i la l'adsorció de substàncies no polars és molt més feble. Per contra, és més probable que la pel·lícula de materials no polars adsorbeixi soluts no polars.
D'altra banda, segons el principi de solubilitat similar, els soluts polars es dissolen fàcilment en dissolvents polars, mentre que els soluts no polars es dissolen fàcilment en dissolvents no polars. Com més fàcil sigui de dissoldre's, menys probable és que sigui adsorbit per la superfície de la membrana. En resum, si la polaritat del solut és més propera al dissolvent i oposada a la membrana, l'adsorció del solut a la superfície de la membrana és menor. Des del punt de vista microscòpic, la dificultat d'adsorció a la superfície de la membrana i l'estabilitat de la capa d'adsorció estan relacionades amb la força d'interacció entre el solut macromolecular, la superfície de la membrana i el solut macromolecular. La força entre ells es divideix generalment en força de van der Waals i força de doble capa.
2.1.1 Forces de Van der Waals
La mida de la força de Van Gogh entre dos cossos es pot caracteritzar per la constant de proporcionalitat de Hamaker H. Per al sistema ternari d'aigua (1), solut (2) i membrana (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] a la fórmula 2, H11, H22 i H33 són les constants de Hamaker d'aigua, solut i membrana, respectivament. La membrana hidròfoba, H33 va disminuir; Per al solut hidròfob, l'H22 va disminuir. Tots dos poden provocar l'augment de H213, augmentar la força del ventilador entre la membrana i el solut i agreujar la contaminació de la superfície de la membrana. Per tant, tant les membranes hidròfobes com els soluts fan que la superfície de la membrana sigui més susceptible a la contaminació.
2.1.2 Força de doble capa elèctrica
Quan la membrana està en contacte amb la solució, la superfície de la membrana es carregarà a causa de l'adsorció iònica, l'orientació del dipol, l'enllaç d'hidrogen i altres efectes, i la càrrega superficial pot afectar la distribució d'ions a la solució a prop de la superfície: ions amb diferents càrregues són atrets per la càrrega superficial i tendeixen a la superfície de la membrana; Els ions amb la mateixa càrrega són repel·lits per la càrrega superficial i estan lluny de la superfície de la membrana, la qual cosa fa que els ions positius i negatius de la solució a prop de la superfície de la membrana se separen entre si. Al mateix temps, el moviment tèrmic fa que els ions positius i negatius tinguin tendència a tornar a la barreja uniforme. Sota la combinació d'aquestes dues tendències oposades, l'excés d'ions heterosignes es difon al medi prop de la superfície de la pel·lícula carregada per formar una doble capa. Quan l'electrificació de la membrana és la mateixa que la de la solució, l'adsorció de la contaminació és petita. Al contrari, l'adsorció és més gran. La quantitat de contaminació adsorbida a la superfície de la membrana depèn del resultat combinat de les dues forces anteriors.
El model d'adsorció de l'encrasament de la membrana es pot expressar mitjançant l'equació d'adsorció de Gibbs i l'equació d'adsorció de Fredrich. Entre ells, l'equació d'adsorció de Gibbs se centra en la relació d'adsorció en condicions isotèrmiques:
En el cas que la calor d'adsorció estigui relacionada amb el grau de cobertura superficial, s'utilitza l'equació de Friedrich:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
On, Γ és la capacitat d'adsorció de la contaminació de la pel·lícula per unitat de superfície
k, n és la constant de correlació i c és la concentració d'equilibri de la solució
03 Control de la contaminació de la membrana
Segons el mecanisme i el model d'adsorció de la contaminació de la membrana, la contaminació de la membrana es pot controlar ajustant els factors següents: propietats hidròfiles dels materials de la membrana; Propietats de càrrega dels materials de membrana; La concentració de la solució de tractament; El cabal del fluid de tractament.
En aquest article, es van estudiar els factors d'influència dels quatre tipus de contaminació de membrana anteriors mitjançant experiments rellevants, per tal de buscar el control dels canvis de diversos factors en la contaminació de la membrana.
3.1 Equips i materials experimentals
L'equip utilitzat en aquest experiment inclou un ultrafiltre de plaques fets per si mateix, un dipòsit de líquid d'alimentació fet a si mateix, un bany d'aigua de temperatura súper constant, una bomba de circulació de mesura WZJ-II, un mesurador d'isòtops C14, una escala de molla de quars, un mesurador d'altura, etc.
Els materials utilitzats són la solució estàndard de BSA, la solució de fermentació alcohòlica preparada, la polisulfona (PS), la polisulfonamida (PSA), el poliacrilonitril (PAN) i la membrana d'ultrafiltració de placa de fibra d'acetat amb un pes molecular de 30,000.
3.2 Condicions de control i flux del cicle experimental
En primer lloc, la membrana d'ultrafiltració de diversos materials es fa en blocs segons la mida i la forma del dipòsit d'ultrafiltració, es submergeix en aigua pura durant 24 hores i es pesa el pes de la pel·lícula humida. A continuació, s'aboca una solució de fermentació alcohòlica o una solució estàndard de BSA de diferents concentracions preparades pel mateix mètode al dipòsit de líquid d'alimentació respectivament. El procés és seguit per una temperatura constant i una circulació de pressió d'aire segons el procés que es mostra a la figura 1. Després de l'equilibri d'adsorció de la membrana d'ultrafiltració, es determina el pes del bloc de membrana després de l'equilibri d'adsorció per determinar la quantitat d'adsorció d'equilibri de la membrana experimental. bloc.
El pes de la membrana de la solució estàndard de BSA i la solució de fermentació alcohòlica es va determinar mitjançant el mètode d'isòtops C14 i el balanç de molla de quars i el mesurador d'alçada, respectivament. El cabal del líquid d'alimentació es controla mitjançant la vàlvula reguladora i la bomba de mesura, i es mesura amb un cronòmetre i un cilindre de mesura. El valor del pH de la solució de fermentació alcohòlica es va mesurar amb un pH-metre PHB-4 i es va ajustar amb solucions de HCl 1 N i NaOH respectivament.
3.3 Resultats experimentals i discussió
3.3.1 Experiment sobre la hidrofilicitat de materials de membrana
Hem seleccionat la membrana d'ultrafiltració de fibra d'acetat (CA) de material hidròfil més representatiu i la membrana d'ultrafiltració de polisulfona (PS) de material hidròfob més representatiu per dur a terme un experiment comparatiu de prova d'adsorció d'equilibri en una solució estàndard de BSA i es va mesurar la corba d'equilibri de la contaminació de la membrana. per l'isòtop C14 es va mostrar a la figura 2: com es pot veure a la figura 2, la capacitat d'adsorció de la membrana hidròfoba de PS per a l'equilibri de contaminació de BSA és d'aproximadament 1.0mg/m2, que és 5 vegades la de la membrana hidrofílica de CA. en les mateixes condicions, i el temps per assolir la capacitat d'adsorció de l'equilibri de contaminació és de 60 minuts, que és 6 vegades el de la membrana CA. Es pot veure que la membrana feta de materials hidròfils redueix H213 a causa de l'augment del seu Hamaker, reduint així la força del ventilador entre el material de la membrana i el solut, i reduint eficaçment el nivell de contaminació de la superfície de la membrana. Es pot veure clarament a partir de l'equació de Gibbs que després de la determinació dels paràmetres C, T, R i , Γ només canvia amb θ. Com més forta sigui la hidrofobicitat del material, més gran sigui d (COSθ)/dC, més greu serà la contaminació de la membrana.
L'experiment va demostrar que la membrana hidròfila tenia l'avantatge d'una baixa capacitat d'adsorció d'equilibri de contaminació. La membrana hidròfoba té l'avantatge de llarg temps per arribar a l'equilibri d'adsorció de la contaminació. Per tant, de fet, l'actual membrana d'ultrafiltració estrangera generalment adopta la pràctica de materials hidròfils compostos sobre la base de la membrana de base hidròfoba, que no només redueix la contaminació de la superfície de la membrana, sinó que també allarga el temps per assolir l'equilibri d'adsorció de la contaminació. de la superfície de la membrana, que millora eficaçment el rendiment de la membrana d'ultrafiltració.
3.3.2 Experiments sobre propietats de càrrega dels materials de membrana
Hem seleccionat una pel·lícula PAN amb càrrega positiva més representativa i una pel·lícula PAN amb càrrega negativa per fer experiments comparatius. Les condicions experimentals van ser: funcionament amb pressió d'aire; Temperatura: 25 graus; Concentració de la solució de fermentació: 0,333 g/L; el pH és de 3,5; Caudal: 43,7 cm/min.
La taula 1 i la figura 3 mostren la capacitat d'adsorció de la contaminació en equilibri i la corba d'equilibri d'adsorció de la membrana d'ultrafiltració de poliacrilonitril (PAN) carregada positivament i carregada negativament en una solució de fermentació alcohòlica, respectivament. Es pot veure a partir de l'anàlisi del diagrama que la capacitat d'adsorció d'equilibri de la membrana d'ultrafiltració PAN amb càrrega positiva és molt inferior a la de la membrana PAN amb càrrega negativa a l'entorn de la solució de fermentació d'alcohol amb càrrega positiva àcida. Com més baix sigui el valor de pH, més forta serà la positivitat de la solució, més gran serà la diferència entre la capacitat d'adsorció d'equilibri de contaminació de les dues membranes i, quan el valor de pH de la solució s'aproxima al punt isoelèctric, la capacitat d'adsorció de la solució. dues membranes tendeixen a ser consistents i la diferència entre la capacitat màxima d'adsorció de les dues membranes pot arribar a més del 75%.
Es pot veure que a causa de l'efecte de la doble capa elèctrica, la relació entre la membrana i la càrrega de la solució (valor de pH) tindrà un impacte molt gran en la contaminació de la membrana. Quan la càrrega de la membrana és la mateixa que la de la solució, el solut atrapat està generalment allunyat de la superfície de la membrana, donant lloc a menys contaminació. Quan la càrrega de la membrana és oposada a la càrrega de la solució, el solut atrapat s'adsorbeix i es diposita fàcilment a la superfície de la membrana, donant lloc a una major contaminació.
Per tant, en el tractament de subministrament i drenatge d'aigua, especialment en el procés de tractament d'aigües residuals, s'ha de prestar especial atenció a la càrrega del líquid de tractament (generalment expressat en pH). Quan el líquid de tractament és àcid, es selecciona la membrana d'ultrafiltració carregada positivament; Quan la solució de tractament és alcalina, es selecciona la membrana d'ultrafiltració carregada negativament.
3.3.3 Concentració de la solució de tractament
Segons l'equació de Fredrich Γ=k × c1 / n, es van seleccionar membranes d'ultrafiltració de quatre materials, és a dir, polialum (PS), polialum amida (PSA), poliacrilonitril (PAN) i fibra d'acetat (CA), per determinar la contaminació formada en el líquid de fermentació alcohòlica de diferents concentracions. Les condicions experimentals van ser les següents: pressió; Funcionament amb pressió d'aire; temperatura; 25 graus; Caudal líquid de fermentació: 43,7 cm/min. Els resultats experimentals es mostren a la taula 2.
Mitjançant la regressió lineal de les dades de la taula 2, es va obtenir l'equació de Fredrich de la capacitat d'adsorció de quatre tipus de contaminació de membrana de la següent manera:
Membrana S: Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1
Membrana PSA: Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2
Membrana PAN: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3
Membrana CA: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
A partir de l'equació anterior es pot veure que la quantitat d'adsorció de contaminació a la superfície de la pel·lícula està directament relacionada amb la concentració de la solució de tractament. Com més gran sigui la concentració del líquid de tractament, més forta serà la contaminació de la superfície de la membrana. Per a la pel·lícula hidròfila, l'augment de la contaminació superficial causada pel canvi de concentració és més gran que l'augment de la contaminació de la pel·lícula hidrofòbica. Per tant, en el tractament de l'aigua, especialment a la indústria del tractament d'aigües residuals, l'ús de la dilució de retorn d'aigua filtrada i altres mitjans per reduir la concentració del líquid de tractament té un efecte significatiu en el control i la reducció de la contaminació de la superfície de la pel·lícula.
3.3.4 Caudal del líquid de tractament
La influència del cabal del líquid de tractament sobre la contaminació superficial de la membrana es va analitzar mitjançant els experiments d'adsorció de la contaminació de membranes CA i PS a diferents cabals. FIG. 4 i FIG. La figura 5 va mostrar la capacitat d'adsorció d'equilibri de les membranes d'ultrafiltració CA i PS durant la circulació a pressió buida del líquid de fermentació d'alcohol, respectivament, en condicions experimentals de 25 graus. El valor del pH és de 3,5. Del diagrama de dades es poden extreure les conclusions següents: la capacitat d'adsorció de la contaminació a l'equilibri de les membranes hidròfiles i hidròfobes és linealment inversament proporcional al cabal del filtrat. La proporció d'adsorció de contaminació en equilibri de la membrana hidròfila va disminuir amb l'augment de la velocitat del flux era més gran que la de la membrana hidròfoba.
Això es deu al fet que l'augment del cabal del líquid de tractament no només afavoreix la reducció del fenomen de polarització de la concentració a la superfície de la pel·lícula, reduint així la contaminació de la superfície de la pel·lícula, sinó que també afavoreix la reducció de la contaminació de la superfície de la pel·lícula a causa de l'efecte de cisalla de fluid d'alta velocitat a la superfície de la pel·lícula. Al mateix temps, l'augment del cabal també augmentarà l'efecte de microagitació de la solució de tractament, promourà la dissolució del solut i reduirà l'aparició de contaminació de la membrana.
3.3.5 Altres Mètodes
A més, el pretractament adequat de la superfície de la membrana i el tractament també és un mètode eficaç per controlar la contaminació de la superfície de la membrana. JA Howell et al. va utilitzar el mètode de fixació de la papaia a la membrana d'ultrafiltració per descompondre el sèrum dipositat a la superfície de la membrana, la qual cosa va reduir molt la contaminació de la membrana. A més, la membrana d'ultrafiltració de polisulfona tractada amb Tween80 va reduir considerablement la contaminació de la superfície de la membrana durant l'ultrafiltració de la solució de BSA, que és un bon tractament per reduir la contaminació de la superfície de la membrana.
04 Conclusió
El problema clau de l'aplicació de la membrana d'ultrafiltració en l'àmbit del subministrament d'aigua i el drenatge és la disminució del flux causada per la contaminació de la membrana. Els principals factors que causen la contaminació superficial de la membrana d'ultrafiltració inclouen: les propietats dels materials de la membrana, la cooperació entre els materials de la membrana i el líquid de tractament, la concentració i el cabal del líquid de tractament i altres factors. Millorant encara més les propietats dels materials de la membrana i manipulant raonablement la concordança de diversos paràmetres entre la membrana i el líquid de tractament, aquest problema difícil es pot resoldre de manera eficaç, de manera que la membrana d'ultrafiltració es pot utilitzar més àmpliament en el camp del subministrament d'aigua i el drenatge. Hangzhou Jiuling Technology també farà més mètodes d'investigació i desenvolupament en la solució de la contaminació de la membrana en el futur per millorar l'statu quo.
