Mechanismus a kontrola znečištění ultrafiltrační membránou

Dále bude stručně představen mechanismus a model znečištění ultrafiltrační membrány.

Výsledky zkoušek ukazují, že mezi hlavní faktory způsobující znečištění membrány patří vlastnosti membránových materiálů, interakce mezi membránovými materiály a upravovanou kapalinou, koncentrace a průtok upravované kapaliny atd.

Problém zanášení membrány lze efektivně vyřešit zlepšením vlastností membránových materiálů a rozumným zacházením s přizpůsobením parametrů mezi membránou a upravovanou kapalinou.

 

01 Aplikace membránové technologie ve vodárenství a kanalizaci

 

Díky širokému uplatnění ultrafiltrační membrány v oblasti zásobování vodou a odvodňování se neustále zvyšuje filtrační odpor způsobený znečištěním membrány při provozu systému, zejména v oblasti čištění odpadních vod, a závažný útlum membránové filtrace tok je klíčem k zabránění použití a propagaci této technologie. Tento článek si klade za cíl zlepšit porozumění efektivní aplikaci membránové technologie v oblasti zásobování vodou a odvodňování pomocí shrnutí faktorů kontroly znečištění experimentu se znečištěním ultrafiltrační membránou.

 

02 Mechanismus a model znečištění ultrafiltrační membrány

 

2.1 Mechanismus a model znečištění

Teoreticky vzato je proces adsorpce roztoku na povrchu membrány komplikovaný, protože mezi rozpuštěnou látkou a rozpouštědlem nebo mezi složkami adsorpční směsi (membrány) v adsorpčním procesu vždy dochází ke kompetitivní adsorpci, takže adsorpční izoterma roztok se musí vypočítat změřením čáry zdánlivé izotermické adsorpce a přidáním příslušných údajů o adsorpci par. Ve skutečnosti však z kvalitativního hlediska lze mít za to, že adsorpce membrány k rozpuštěné látce úzce souvisí s polaritou mezi těmito dvěma a membrána polárních materiálů má tendenci silně adsorbovat polární látky. adsorpce nepolárních látek je mnohem slabší. Naopak film z nepolárních materiálů s větší pravděpodobností adsorbuje nepolární rozpuštěné látky.

Na druhou stranu, podle principu podobné rozpustnosti se polární rozpuštěné látky snadno rozpouštějí v polárních rozpouštědlech, zatímco nepolární rozpuštěné látky se snadno rozpouštějí v nepolárních rozpouštědlech. Čím snadněji se rozpouští, tím méně je pravděpodobné, že bude adsorbován povrchem membrány. Stručně řečeno, pokud je polarita rozpuštěné látky blíže k rozpouštědlu a opačná k membráně, je adsorpce rozpuštěné látky na povrchu membrány menší. Z mikroskopického hlediska souvisí obtížnost adsorpce na povrchu membrány a stabilita adsorpční vrstvy se silou interakce mezi makromolekulární látkou, povrchem membrány a makromolekulární látkou. Síla mezi nimi se obecně dělí na van der Waalsovu sílu a dvouvrstvou sílu.

 

2.1.1 Van der Waalsovy síly

Velikost Van Goghovy síly mezi dvěma tělesy lze charakterizovat pomocí Hamakerovy konstanty úměrnosti H. Pro ternární systém vody (1), rozpuštěné látky (2) a membrány (3) : H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] ve vzorci 2, H11, H22 a H33 jsou Hamakerovy konstanty vody, rozpuštěné látky a membrány. Hydrofobní membrána, H33 se snížila; U hydrofobní rozpuštěné látky se H22 snížil. Oba mohou vést ke zvýšení H213, zvýšit sílu ventilátoru mezi membránou a rozpuštěnou látkou a zhoršit znečištění povrchu membrány. Proto jak hydrofobní membrány, tak rozpuštěné látky činí povrch membrány náchylnější ke kontaminaci.

 

2.1.2 Síla dvojité elektrické vrstvy

Když je membrána v kontaktu s roztokem, povrch membrány se nabije v důsledku iontové adsorpce, orientace dipólu, vodíkové vazby a dalších vlivů a povrchový náboj může ovlivnit distribuci iontů v roztoku v blízkosti povrchu: ionty s různým nábojem jsou přitahovány povrchovým nábojem a mají sklon k povrchu membrány; Ionty se stejným nábojem jsou odpuzovány povrchovým nábojem a jsou daleko od povrchu membrány, díky čemuž jsou kladné a záporné ionty v roztoku blízko povrchu membrány od sebe odděleny. Tepelný pohyb zároveň způsobuje, že kladné a záporné ionty mají tendenci se vracet k rovnoměrnému míchání. Při kombinaci těchto dvou opačných trendů jsou přebytečné heterosignální ionty difundovány v médiu blízko povrchu nabitého filmu za vzniku dvojité vrstvy. Když je elektrifikace membrány stejná jako elektrifikace roztoku, adsorpce znečištění je malá. Naopak adsorpce je větší. Množství znečištění adsorbovaného na povrchu membrány závisí na kombinovaném výsledku výše uvedených dvou sil.

 

Adsorpční model zanášení membrány lze vyjádřit pomocí Gibbsovy adsorpční rovnice a Fredrichovy adsorpční rovnice. Mezi nimi se Gibbsova adsorpční rovnice zaměřuje na adsorpční vztah za izotermických podmínek:

V případě, že adsorpční teplo souvisí se stupněm pokrytí povrchu, použije se Friedrichova rovnice:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Kde, Γ je kapacita adsorpce znečištění filmu na jednotku plochy

k, n je korelační konstanta a c je rovnovážná koncentrace roztoku

 

03 Kontrola znečištění membrán

Podle mechanismu a adsorpčního modelu membránového znečištění lze znečištění membrány řídit úpravou následujících faktorů: hydrofilní vlastnosti membránových materiálů; Nabíjecí vlastnosti membránových materiálů; Koncentrace ošetřovacího roztoku; Rychlost průtoku ošetřovací kapaliny.

V tomto článku byly pomocí relevantních experimentů studovány vlivové faktory výše uvedených čtyř druhů membránového znečištění za účelem hledání kontroly změn různých faktorů na membránové znečištění.

 

3.1 Experimentální zařízení a materiály

Zařízení použité v tomto experimentu zahrnuje vlastnoručně vyrobený deskový ultrafiltr, vlastní nádrž na napájecí kapalinu, vodní lázeň se super konstantní teplotou, dávkovací oběhové čerpadlo WZJ-II, měřič izotopů C14, křemennou pružinovou stupnici, měřič výšky a tak dále.

Použité materiály jsou standardní roztok BSA, připravený alkoholový fermentační roztok, polysulfon (PS), polysulfonamid (PSA), polyakrylonitril (PAN) a destičková ultrafiltrační membrána z acetátových vláken s molekulovou hmotností 30,000.

 

3.2 Průtok experimentálního cyklu a podmínky řízení

Nejprve se ultrafiltrační membrána z různých materiálů zpracuje do bloků podle velikosti a tvaru ultrafiltrační nádrže a namočí se do čisté vody po dobu 24 hodin a zváží se hmotnost mokrého filmu. Poté se do nádrže na krmnou kapalinu nalije alkoholový fermentační roztok nebo standardní roztok BSA o různých koncentracích připravený stejným způsobem. Po procesu následuje cirkulace konstantní teploty a tlaku vzduchu podle procesu znázorněného na obrázku 1. Po adsorpční rovnováze ultrafiltrační membrány se určí hmotnost membránového bloku po adsorpční rovnováze, aby se určilo rovnovážné adsorpční množství experimentální membrány. blok.

Hmotnost membrány standardního roztoku BSA a alkoholového fermentačního roztoku byla stanovena izotopovou metodou C14 a křemennými pružinovými váhami a výškovým metrem. Průtok napájecí kapaliny je řízen regulačním ventilem a měřícím čerpadlem a měřen stopkami a odměrným válcem. Hodnota pH alkoholového fermentačního roztoku byla měřena PHB-4 pH metrem a upravena 1N roztoky HCl a NaOH.

 

3.3 Experimentální výsledky a diskuse

3.3.1 Experiment na hydrofilitu membránových materiálů

Vybrali jsme nejreprezentativnější hydrofilní membránový materiál ultrafiltrační membránu z acetátových vláken (CA) a nejreprezentativnější hydrofobní membránový materiál polysulfonovou ultrafiltrační membránu (PS) k provedení srovnávacího experimentu testu rovnovážné adsorpce ve standardním roztoku BSA a byla změřena rovnovážná křivka znečištění membrány izotopem C14 byl znázorněn na obrázku 2: Jak je patrné z obrázku 2, adsorpční kapacita hydrofobní membrány PS pro rovnováhu znečištění BSA je přibližně 1.0mg/m2, což je 5krát větší než hydrofilní membrána CA za stejných podmínek a doba k dosažení adsorpční kapacity rovnováhy znečištění je 60 minut, což je 6krát více než u CA membrány. Je vidět, že membrána vyrobená z hydrofilních materiálů snižuje H213 díky zvýšení svého Hamakera, čímž se snižuje síla ventilátoru mezi materiálem membrány a rozpuštěnou látkou a účinně snižuje úroveň znečištění povrchu membrány. Z Gibbsovy rovnice je jasně vidět, že po určení parametrů C, T, R a , Γ se mění pouze s θ. Čím silnější je hydrofobnost materiálu, tím větší je d(COSθ)/dC, tím závažnější je znečištění membrány.
 

Experiment ukázal, že hydrofilní membrána měla výhodu nízké rovnovážné adsorpční kapacity znečištění. Hydrofobní membrána má výhodu dlouhé doby pro dosažení rovnováhy adsorpce znečištění. Proto ve skutečnosti současná zahraniční ultrafiltrační membrána obecně přijímá praxi kompozitních hydrofilních materiálů na bázi hydrofobní základní membrány, což nejen snižuje znečištění povrchu membrány, ale také prodlužuje dobu k dosažení adsorpční rovnováhy znečištění. povrchu membrány, což účinně zlepšuje výkon ultrafiltrační membrány.

 

3.3.2 Experimenty nabíjecích vlastností membránových materiálů

Pro srovnávací experimenty jsme vybrali reprezentativnější kladně nabitý film PAN a záporně nabitý film PAN. Experimentální podmínky byly: provoz s tlakem vzduchu; Teplota: 25 stupňů; Koncentrace fermentačního roztoku: 0,333 g/L; pH je 3,5; Průtok: 43,7 cm/min.

Tabulka 1 a obrázek 3 ukazují rovnovážnou znečištění adsorpční kapacity a adsorpční rovnovážnou křivku pozitivně nabité a negativně nabité polyakrylonitrilové ultrafiltrační membrány (PAN) v alkoholovém fermentačním roztoku. Z analýzy diagramu je vidět, že rovnovážná adsorpční kapacita kladně nabité ultrafiltrační membrány PAN je mnohem nižší než záporně nabitá membrána PAN v prostředí kyselého kladně nabitého alkoholového fermentačního roztoku. Čím nižší je hodnota pH, tím silnější je pozitivita roztoku, tím větší je rozdíl mezi rovnovážnou adsorpční kapacitou znečištění obou membrán, a když je hodnota pH roztoku blízká izoelektrickému bodu, adsorpční kapacitou roztoku. dvě membrány mají tendenci být konzistentní a rozdíl mezi maximální adsorpční kapacitou obou membrán může dosáhnout více než 75 %.

Je vidět, že vlivem dvojité elektrické vrstvy bude mít vztah mezi membránou a nábojem roztoku (hodnota pH) velmi velký dopad na znečištění membrány. Když je náboj membrány stejný jako náboj roztoku, zachycená látka je obecně daleko od povrchu membrány, což má za následek menší znečištění. Když je náboj membrány opačný než náboj roztoku, zachycená látka se snadno adsorbuje a ukládá na povrchu membrány, což má za následek větší znečištění.

Proto při úpravě zásobování vodou a odvádění vody, zejména při procesu čištění odpadních vod, je třeba věnovat zvláštní pozornost plnění čistící kapaliny (obvykle vyjádřené v pH). Když je upravovací kapalina kyselá, zvolí se kladně nabitá ultrafiltrační membrána; Když je upravovací roztok alkalický, zvolí se záporně nabitá ultrafiltrační membrána.

 

3.3.3 Koncentrace upravovacího roztoku

Podle Fredrichovy rovnice Γ=k×c1 / n byly pro stanovení vybrány ultrafiltrační membrány ze čtyř materiálů, a to polyalum (PS), polyalum amid (PSA), polyakrylonitril (PAN) a acetátové vlákno (CA). znečištění vznikající v alkoholové fermentační kapalině různých koncentrací. Experimentální podmínky byly následující: tlak; Provoz s tlakem vzduchu; Teplota; 25 stupňů; Průtok fermentační kapaliny: 43,7 cm/min. Experimentální výsledky jsou uvedeny v tabulce 2.

Pomocí lineární regrese dat v tabulce 2 byla získána Fredrichova rovnice adsorpční kapacity čtyř druhů membránového znečištění takto:

S membrána:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1

PSA membrána:Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2

Membrána PAN:Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3

CA membrána:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Z výše uvedené rovnice je vidět, že adsorpční množství znečištění na povrchu filmu přímo souvisí s koncentrací upravovacího roztoku. Čím vyšší je koncentrace ošetřovací kapaliny, tím silnější je znečištění povrchu membrány. U hydrofilního filmu je nárůst povrchového znečištění způsobený změnou koncentrace větší než nárůst znečištění hydrofobním filmem. Proto při úpravě vody, zejména v průmyslu čištění odpadních vod, má použití zpětného ředění filtrované vody a dalších prostředků ke snížení koncentrace čistící kapaliny významný vliv na kontrolu a snížení znečištění povrchu filmu.

 

3.3.4 Průtok upravovací kapaliny

Vliv průtoku upravovací kapaliny na povrchové znečištění membrány byl analyzován pomocí adsorpčních experimentů znečištění CA a PS membrán při různých průtokech. OBR. 4 a OBR. 5 ukazuje rovnovážnou adsorpční kapacitu CA a PS ultrafiltračních membrán během duté tlakové cirkulace alkoholové fermentační kapaliny za experimentálních podmínek 25 stupňů. Hodnota pH je 3,5. Z datového diagramu lze vyvodit následující závěry: rovnovážná adsorpční kapacita znečištění hydrofilních i hydrofobních membrán je lineárně nepřímo úměrná průtoku filtrátu. Podíl adsorpce rovnovážného znečištění hydrofilní membrány klesal s nárůstem rychlosti proudění byl větší než u hydrofobní membrány.

Je to proto, že zvýšení průtoku upravovací kapaliny nejen přispívá ke snížení jevu koncentrační polarizace na povrchu filmu, čímž se snižuje znečištění povrchu filmu, ale také přispívá ke snížení znečištění povrchu filmu v důsledku smykového efektu. vysokorychlostní kapalina na povrchu filmu. Současně zvýšení průtoku také zvýší mikromíchací účinek upravovacího roztoku, podpoří rozpouštění rozpuštěné látky a sníží výskyt znečištění membrány.

 

3.3.5 Jiné metody

Kromě toho je řádná předúprava povrchu membrány a úprava také účinnou metodou pro kontrolu znečištění povrchu membrány. JA Howell a kol. použili metodu fixace papayasy v ultrafiltrační membráně k rozkladu syrovátky usazené na povrchu membrány, což značně snížilo znečištění membrány. Kromě toho polysulfonová ultrafiltrační membrána ošetřená Tween80 značně snížila znečištění povrchu membrány během ultrafiltrace roztoku BSA, což je dobrý prostředek pro ošetření ke snížení znečištění povrchu membrány.

 

04 Závěr

Klíčovým problémem aplikace ultrafiltrační membrány v oblasti zásobování a odvodňování vody je pokles toku způsobený znečištěním membrány. Mezi hlavní faktory způsobující povrchové znečištění ultrafiltrační membrány patří: vlastnosti membránových materiálů, spolupráce mezi membránovými materiály a upravovací kapalinou, koncentrace a průtok upravovací kapaliny a další faktory. Dalším zlepšováním vlastností membránových materiálů a přiměřeným zacházením s různými parametry přizpůsobení mezi membránou a kapalinou pro úpravu lze tento obtížný problém účinně vyřešit, takže ultrafiltrační membrána může být široce používána v oblasti zásobování vodou a odvodňování. Technologie Hangzhou Jiuling také v budoucnu vyvine více metod výzkumu a vývoje při řešení znečištění membrán, aby se zlepšil status quo.