Ultrafiltratsiooni membraanireostuse mehhanism ja kontroll
Järgnevalt tutvustatakse lühidalt ultrafiltratsioonimembraanireostuse mehhanismi ja mudelit.
Katsetulemused näitavad, et peamised membraanireostust põhjustavad tegurid hõlmavad membraanimaterjalide omadusi, membraanimaterjalide ja töödeldud vedeliku vastastikmõju, töödeldud vedeliku kontsentratsiooni ja voolukiirust jne.
Membraani saastumise probleemi saab tõhusalt lahendada membraanimaterjalide omaduste parandamise ja membraani ja töödeldud vedeliku vahelise parameetrite sobitamise mõistliku käsitlemisega.
01 Membraantehnoloogia rakendamine veevarustus- ja drenaažitööstuses
Ultrafiltratsioonimembraani laialdase kasutamise tõttu veevarustuse ja äravoolu valdkonnas suureneb pidevalt süsteemi töötamise ajal membraanireostusest põhjustatud filtreerimistakistus, eriti reoveepuhastuse valdkonnas, ning membraanfiltratsiooni tõsine nõrgenemine. Flux on võti, mis takistab selle tehnoloogia rakendamist ja edendamist. Selle artikli eesmärk on parandada arusaamist membraanitehnoloogia tõhusast rakendamisest veevarustuse ja drenaaži valdkonnas, võttes kokku ultrafiltratsioonimembraani reostuskatse reostuskontrolli tegurid.
02 Ultrafiltratsioonimembraani reostuse mehhanism ja mudel
2.1 Reostuse mehhanism ja mudel
Teoreetiliselt on lahuse adsorptsiooniprotsess membraani pinnal keeruline, kuna lahustunud aine ja lahusti või adsorbeeriva segu (membraani) komponentide vahel toimub adsorptsiooniprotsessis alati konkureeriv adsorptsioon, mistõttu adsorptsiooni isoterm lahuse arvutamiseks tuleb mõõta näiv isotermiline adsorptsioonijoon ja lisada asjakohased auruadsorptsiooni andmed. Kuid tegelikult võib kvalitatiivsest aspektist lähtudes arvata, et membraani adsorptsioon lahustunud ainele on tihedalt seotud nende kahe polaarsusega ning polaarsete materjalide membraan kipub polaarseid aineid tugevalt adsorbeerima ning mittepolaarsete ainete adsorptsioon on palju nõrgem. Vastupidi, mittepolaarsete materjalide kile adsorbeerib tõenäolisemalt mittepolaarseid lahustunud aineid.
Teisest küljest lahustuvad sarnase lahustuvuse põhimõtte kohaselt polaarsed lahustunud ained kergesti polaarsetes lahustites, mittepolaarsed lahustunud ained aga kergesti mittepolaarsetes lahustites. Mida lihtsam see lahustub, seda väiksem on tõenäosus, et see adsorbeerub membraani pinnale. Kokkuvõtvalt võib öelda, et kui lahustunud aine polaarsus on lahustile lähemal ja membraanile vastupidine, on lahustunud aine adsorptsioon membraani pinnal väiksem. Mikroskoopilisest vaatenurgast on adsorptsiooni raskus membraani pinnal ja adsorptsioonikihi stabiilsus seotud makromolekulaarse lahustunud aine, membraani pinna ja makromolekulaarse lahustunud aine vahelise interaktsioonijõuga. Nendevaheline jõud jaguneb üldiselt van der Waalsi jõuks ja kahekihiliseks jõuks.
2.1.1 Van der Waalsi väed
Van Goghi jõu suurust kahe keha vahel saab iseloomustada Hamakeri proportsionaalsuskonstandiga H. Vee (1), lahustunud aine (2) ja membraani (3) kolmekomponendilise süsteemi jaoks: H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] valemis 2 on H11, H22 ja H33 vastavalt vee, lahustunud aine ja membraani Hamakeri konstandid. Hüdrofoobne membraan, H33, vähenes; Hüdrofoobse lahustunud aine puhul H22 vähenes. Mõlemad võivad põhjustada H213 suurenemist, suurendada ventilaatori jõudu membraani ja lahustunud aine vahel ning süvendada membraani pinna saastumist. Seetõttu muudavad nii hüdrofoobsed membraanid kui ka lahustunud ained membraani pinna saastumisele vastuvõtlikumaks.
2.1.2 Kahekordse elektrikihi jõud
Kui membraan puutub lahusega kokku, laeb membraani pind ioonse adsorptsiooni, dipooli orientatsiooni, vesiniksideme ja muude mõjude tõttu ning pinnalaeng võib mõjutada ioonide jaotumist lahuses pinna lähedal: erineva laenguga ioone tõmbab pinnalaeng ja kipuvad membraani pinnale; Sama laenguga ioonid tõrjutakse pinnalaenguga ja asuvad membraani pinnast kaugel, mistõttu membraani pinna lähedal olevas lahuses olevad positiivsed ja negatiivsed ioonid eralduvad üksteisest. Samal ajal muudab soojusliikumine positiivsete ja negatiivsete ioonide kalduvuse ühtlaseks segunemiseks. Nende kahe vastupidise suundumuse kombinatsiooni korral hajutatakse üleliigsed heterosignioonid laetud kile pinna lähedal asuvas keskkonnas, moodustades topeltkihi. Kui membraani elektrifitseerimine on sama, mis lahusel, on saaste adsorptsioon väike. Vastupidi, adsorptsioon on suurem. Membraani pinnale adsorbeerunud saaste hulk sõltub kahe ülaltoodud jõu kombineeritud tulemusest.
Membraani saastumise adsorptsioonimudelit saab väljendada Gibbsi adsorptsioonivõrrandiga ja Fredrichi adsorptsioonivõrrandiga. Nende hulgas keskendub Gibbsi adsorptsioonivõrrand adsorptsioonisuhtele isotermilistes tingimustes:
Juhul, kui adsorptsioonisoojus on seotud pinnakatte astmega, kasutatakse Friedrichi võrrandit:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
kus Γ on kile reostuse adsorptsioonivõime pindalaühiku kohta
k, n on korrelatsioonikonstant ja c on lahuse tasakaalukontsentratsioon
03 Membraanreostuse kontroll
Vastavalt membraanireostuse mehhanismile ja adsorptsioonimudelile saab membraanireostust kontrollida järgmiste tegurite reguleerimisega: membraanimaterjalide hüdrofiilsed omadused; Membraanmaterjalide laadimisomadused; Töötlemislahuse kontsentratsioon; Ravivedeliku voolukiirus.
Käesolevas töös uuriti eelnimetatud nelja tüüpi membraanireostuse mõjutegureid asjakohaste katsetega, et saada kontrolli erinevate tegurite muutuste üle membraanireostusel.
3.1 Katseseadmed ja materjalid
Selles katses kasutatud seadmed hõlmavad isevalmistatud plaat-ultrafiltrit, isevalmistatud toitevedeliku paaki, superkonstantse temperatuuriga veevanni, WZJ-II tsirkulatsioonipumpa, C14 isotoobimõõturit, kvartsvedruskaalat, kõrgusmõõturit ja nii edasi.
Kasutatud materjalid on standardne BSA lahus, valmistatud alkoholikäärituslahus, polüsulfoon (PS), polüsulfoonamiid (PSA), polüakrüülnitriil (PAN) ja atsetaatkiudplaadi ultrafiltratsioonimembraan molekulmassiga 30,000.
3.2 Katsetsükli voolu- ja juhtimistingimused
Esiteks valmistatakse erinevate materjalide ultrafiltreerimismembraan vastavalt ultrafiltratsioonipaagi suurusele ja kujule plokkideks ning leotatakse 24 tundi puhtas vees ning kaalutakse märja kile kaal. Seejärel valatakse toitevedeliku paaki vastavalt samal meetodil valmistatud erineva kontsentratsiooniga alkoholi käärituslahus või standardne BSA lahus. Protsessile järgneb konstantse temperatuuri ja õhurõhu tsirkulatsioon vastavalt joonisel 1 näidatud protsessile. Pärast ultrafiltratsioonimembraani adsorptsioonitasakaalu saavutamist määratakse membraaniploki kaal pärast adsorptsioonitasakaalu, et määrata eksperimentaalse membraani tasakaaluline adsorptsioonikogus. blokk.
BSA standardlahuse ja alkoholi käärituslahuse membraani mass määrati vastavalt C14 isotoopide meetodil ja kvartsvedru tasakaalu ja kõrgusmõõturiga. Toitevedeliku voolukiirust juhitakse reguleerimisventiili ja mõõtepumba abil ning mõõdetakse stopperi ja mõõtesilindriga. Alkoholi fermentatsioonilahuse pH väärtust mõõdeti PHB-4 pH-meetriga ja reguleeriti vastavalt 1 N HCl ja NaOH lahustega.
3.3 Katsetulemused ja arutelu
3.3.1 Membraanimaterjalide hüdrofiilsuse katse
Valisime kõige tüüpilisema hüdrofiilse membraanimaterjali atsetaatkiud-ultrafiltratsioonimembraani (CA) ja kõige tüüpilisema hüdrofoobse membraanimaterjali polüsulfoon-ultrafiltratsioonimembraani (PS), et viia läbi võrdluskatse tasakaalu adsorptsiooni testi kohta standardses BSA lahuses ja mõõdetud membraanireostuse tasakaalukõver. C14 isotoobiga on näidatud joonisel 2: Nagu on näha jooniselt 2, on hüdrofoobse PS membraani adsorptsioonivõime BSA saastetasakaalu jaoks umbes 1.0mg/m2, mis on 5 korda suurem kui hüdrofiilsel CA membraanil. samadel tingimustel ja reostuse tasakaalu adsorptsioonivõime saavutamise aeg on 60 minutit, mis on 6 korda suurem kui CA membraanil. On näha, et hüdrofiilsetest materjalidest valmistatud membraan vähendab H213 selle Hamakeri suurenemise tõttu, vähendades seega ventilaatori jõudu membraani materjali ja lahustunud aine vahel ning vähendades tõhusalt membraani pinna saastetaset. Gibbsi võrrandist on selgelt näha, et pärast parameetrite C, T, R ja , määramist muutub Γ ainult θ-ga. Mida tugevam on materjali hüdrofoobsus, seda suurem on d (COSθ)/dC, seda tõsisem on membraanireostus.
Katse näitas, et hüdrofiilse membraani eeliseks oli madal saastetasakaalu adsorptsioonivõime. Hüdrofoobse membraani eeliseks on pikk aeg, et saavutada reostuse adsorptsiooni tasakaal. Seetõttu kasutab praegune välismaa ultrafiltratsioonimembraan üldiselt hüdrofoobse alusmembraani baasil põhinevate hüdrofiilsete komposiitmaterjalide tava, mis mitte ainult ei vähenda membraani pinna saastumist, vaid pikendab ka saaste adsorptsioonitasakaalu saavutamise aega. membraani pinnast, mis parandab tõhusalt ultrafiltreerimismembraani jõudlust.
3.3.2 Membraanimaterjalide laadimisomaduste katsed
Valisime võrdlevate katsete tegemiseks esinduslikuma positiivselt laetud PAN-kile ja negatiivselt laetud PAN-kile. Katsetingimused olid: õhurõhu töö; Temperatuur: 25 kraadi ; Fermentatsioonilahuse kontsentratsioon: 0,333 g/L; pH on 3,5; Voolukiirus: 43,7cm/min.
Tabelid 1 ja joonis 3 näitavad vastavalt positiivselt ja negatiivselt laetud polüakrüülnitriili ultrafiltratsioonimembraani (PAN) tasakaalu saaste adsorptsioonivõimet ja adsorptsiooni tasakaalukõverat alkoholi fermentatsioonilahuses. Diagrammi analüüsist on näha, et positiivse laenguga PAN-ultrafiltratsioonimembraani tasakaaluline adsorptsioonivõime on happelise positiivselt laetud alkoholi fermentatsioonilahuse keskkonnas palju madalam kui negatiivse laenguga PAN-membraanil. Mida madalam on pH väärtus, seda tugevam on lahuse positiivsus, seda suurem on erinevus kahe membraani saastetasakaalu adsorptsioonivõime vahel ja kui lahuse pH väärtus on isoelektrilise punkti lähedal, on lahuse adsorptsioonivõime. kaks membraani kipuvad olema järjepidevad ja erinevus kahe membraani maksimaalse adsorptsioonivõime vahel võib ulatuda üle 75%.
On näha, et kahekordse elektrikihi mõju tõttu on membraani ja lahuse laengu (pH-väärtuse) seosel väga suur mõju membraanireostusele. Kui membraani laeng on sama kui lahuse laeng, on lõksu jäänud lahustunud aine tavaliselt membraani pinnast kaugel, mille tulemuseks on väiksem reostus. Kui membraani laeng on vastupidine lahuse laengule, adsorbeerub kinni jäänud lahustunud aine kergesti ja sadestub membraani pinnale, mille tulemuseks on suurem reostus.
Seetõttu tuleks veevarustuse ja äravoolu puhastamisel, eriti reoveepuhastusprotsessis, pöörata erilist tähelepanu puhastusvedeliku laadimisele (tavaliselt väljendatuna pH-s). Kui töötlemisvedelik on happeline, valitakse positiivselt laetud ultrafiltratsioonimembraan; Kui töötlemislahus on aluseline, valitakse negatiivselt laetud ultrafiltratsioonimembraan.
3.3.3 Töötlemislahuse kontsentratsioon
Vastavalt Fredrichi võrrandile Γ=k×c1 / n valiti määramiseks neljast materjalist ultrafiltratsioonimembraanid, nimelt polüalum (PS), polüalumamiid (PSA), polüakrüülnitriil (PAN) ja atsetaatkiud (CA). erineva kontsentratsiooniga piirituskääritusvedelikus tekkiv saaste. Katsetingimused olid järgmised: rõhk; õhurõhu töö; Temperatuur; 25 kraadi; Kääritusvedeliku voolukiirus: 43,7cm/min. Katsetulemused on toodud tabelis 2.
Tabelis 2 toodud andmete lineaarse regressiooni abil saadi nelja tüüpi membraanireostuse adsorptsioonivõime Fredrichi võrrand järgmiselt:
S-membraan: Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ……………………3．1
PSA membraan: Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 …………………3．2
PAN-membraan: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 …………………3．3
CA membraan: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………………3．4
Ülaltoodud võrrandist on näha, et reostuse adsorptsioonihulk kile pinnal on otseselt seotud töötlemislahuse kontsentratsiooniga. Mida suurem on töötlusvedeliku kontsentratsioon, seda tugevam on membraanipinna saaste. Hüdrofiilse kile puhul on kontsentratsiooni muutusest põhjustatud pinnareostuse suurenemine suurem kui hüdrofoobse kile reostuse suurenemine. Seetõttu on veepuhastuses, eriti reoveepuhastustööstuses, filtreeritud vee tagasivoolu lahjenduse ja muude puhastusvedeliku kontsentratsiooni vähendamise vahendite kasutamisel oluline mõju kilepinna reostuse kontrollile ja vähendamisele.
3.3.4 Töötlemisvedeliku voolukiirus
Puhastusvedeliku voolukiiruse mõju membraani pinnareostusele analüüsiti CA- ja PS-membraanide saasteadsorptsioonikatsete kaudu erinevatel voolukiirustel. joonisel fig. 4 ja joonis fig. 5 näitas CA ja PS ultrafiltratsioonimembraanide tasakaalulist adsorptsioonivõimet alkoholi kääritamisvedeliku õõnesrõhul tsirkulatsiooni ajal katsetingimustes 25 kraadi. pH väärtus on 3,5. Andmediagrammilt saab teha järgmised järeldused: nii hüdrofiilsete kui ka hüdrofoobsete membraanide tasakaaluline reostuse adsorptsioonivõime on lineaarselt pöördvõrdeline filtraadi voolukiirusega. Hüdrofiilse membraani tasakaalusaaste adsorptsiooni osakaal vähenes voolukiiruse suurenemisega võrreldes hüdrofoobse membraani omaga.
Selle põhjuseks on asjaolu, et töötlemisvedeliku voolukiiruse suurenemine ei soodusta mitte ainult kontsentratsiooni polarisatsiooninähtuse vähendamist kile pinnal, vähendades seega kile pinna reostust, vaid aitab kaasa ka kilepinna saaste vähendamisele nihkeefekti tõttu. suure kiirusega vedelik kile pinnal. Samal ajal suurendab voolukiiruse suurenemine ka töötlemislahuse mikrosegamisefekti, soodustab lahustunud aine lahustumist ja vähendab membraanireostuse esinemist.
3.3.5 Muud meetodid
Lisaks on membraanipinna nõuetekohane eeltöötlemine ja töötlemine ka tõhus meetod membraanipinna saaste kontrollimiseks. JA Howell et al. kasutas membraani pinnale ladestunud vadaku lagundamiseks papaiaasi ultrafiltratsioonimembraanis fikseerimise meetodit, mis vähendas oluliselt membraanireostust. Lisaks vähendas Tween80-ga töödeldud polüsulfoon-ultrafiltratsioonimembraan oluliselt membraani pinnareostust BSA lahuse ultrafiltrimise ajal, mis on hea ravivahend membraani pinnareostuse vähendamiseks.
04 Järeldus
Ultrafiltratsioonimembraani kasutamise põhiprobleem veevarustuse ja drenaaži valdkonnas on membraanireostusest põhjustatud voo vähenemine. Ultrafiltratsioonimembraani pinnareostust põhjustavad peamised tegurid on: membraanimaterjalide omadused, membraanimaterjalide ja töötlusvedeliku koostöö, puhastusvedeliku kontsentratsioon ja voolukiirus ning muud tegurid. Membraanimaterjalide omaduste edasise parandamise ja membraani ja puhastusvedeliku erinevate parameetrite sobitamise mõistliku käsitlemise abil saab selle keerulise probleemi tõhusalt lahendada, nii et ultrafiltratsioonimembraani saab laialdasemalt kasutada veevarustuse ja drenaaži valdkonnas. Hangzhou Jiuling Technology kasutab tulevikus ka rohkem uurimis- ja arendusmeetodeid membraanireostuse lahendamiseks, et parandada status quo.
