Mecanismul și controlul poluării membranei de ultrafiltrare

În cele ce urmează se va prezenta pe scurt mecanismul și modelul de poluare a membranei de ultrafiltrare.

Rezultatele testelor arată că principalii factori care cauzează poluarea membranei includ proprietățile materialelor membranei, interacțiunea dintre materialele membranei și lichidul tratat, concentrația și debitul lichidului tratat etc.

Problema murdării membranei poate fi rezolvată eficient prin îmbunătățirea proprietăților materialelor membranei și prin gestionarea rezonabilă a potrivirii parametrilor dintre membrană și lichidul tratat.

 

01 Aplicarea tehnologiei membranelor în industria de alimentare cu apă și drenaj

 

Datorită aplicării largi a membranei de ultrafiltrare în domeniul alimentării cu apă și drenajului, rezistența la filtrare cauzată de poluarea membranei în timpul funcționării sistemului, în special în domeniul epurării apelor uzate, este în continuă creștere, iar atenuarea gravă a filtrării prin membrană fluxul este cheia pentru a împiedica aplicarea și promovarea acestei tehnologii. Această lucrare își propune să îmbunătățească înțelegerea aplicării eficiente a tehnologiei membranelor în domeniul alimentării cu apă și drenajului prin rezumarea factorilor de control al poluării din experimentul de poluare cu membrane de ultrafiltrare.

 

02 Mecanism și model de poluare cu membrane de ultrafiltrare

 

2.1 Mecanism și model de poluare

Teoretic vorbind, procesul de adsorbție a soluției pe suprafața membranei este complicat deoarece există întotdeauna o adsorbție competitivă între dizolvat și solvent sau între componentele amestecului adsorbant (membrană) în procesul de adsorbție, deci izoterma de adsorbție a soluția trebuie calculată prin măsurarea liniei de adsorbție izotermă aparentă și adăugarea datelor corespunzătoare de adsorbție a vaporilor. Cu toate acestea, de fapt, din punct de vedere calitativ, se poate considera că adsorbția membranei la solut este strâns legată de polaritatea dintre cele două, iar membrana materialelor polare tinde să adsorbe puternic substanțele polare, iar adsorbția substanțelor nepolare este mult mai slabă. Dimpotrivă, pelicula de materiale nepolare are mai multe șanse de a adsorbi substanțe dizolvate nepolare.

Pe de altă parte, conform principiului solubilității similare, soluțiile polare se dizolvă ușor în solvenți polari, în timp ce substanțele dizolvate nepolare se dizolvă ușor în solvenți nepolari. Cu cât este mai ușor de dizolvat, cu atât este mai puțin probabil ca acesta să fie adsorbit de suprafața membranei. În rezumat, dacă polaritatea substanței dizolvate este mai apropiată de solvent și opusă membranei, adsorbția substanței dizolvate pe suprafața membranei este mai mică. Din punct de vedere microscopic, dificultatea de adsorbție pe suprafața membranei și stabilitatea stratului de adsorbție sunt legate de forța de interacțiune dintre solutul macromolecular, suprafața membranei și solutul macromolecular. Forța dintre ele este în general împărțită în forța van der Waals și forța dublu strat.

 

2.1.1 Forțele Van der Waals

Mărimea forței Van Gogh dintre două corpuri poate fi caracterizată prin constanta de proporționalitate Hamaker H. Pentru sistemul ternar de apă (1), solut (2) și membrana (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] în formula 2, H11, H22 și H33 sunt constantele Hamaker ale apei, soluției dizolvate și, respectiv, membranei. Membrana hidrofobă, H33 a scăzut; Pentru solutul hidrofob, H22 a scăzut. Ambele pot duce la creșterea H213, la creșterea forței ventilatorului dintre membrană și substanță dizolvată și agravează poluarea suprafeței membranei. Prin urmare, atât membranele hidrofobe, cât și substanțele dizolvate fac suprafața membranei mai susceptibilă la contaminare.

 

2.1.2 Forța stratului dublu electric

Când membrana este în contact cu soluția, suprafața membranei va fi încărcată din cauza adsorbției ionice, orientării dipolului, legăturii de hidrogen și a altor efecte, iar sarcina de suprafață poate afecta distribuția ionilor în soluție în apropierea suprafeței: ionii cu sarcini diferite sunt atrași de sarcina de suprafață și tind spre suprafața membranei; Ionii cu aceeași sarcină sunt respinși de sarcina de suprafață și sunt departe de suprafața membranei, ceea ce face ca ionii pozitivi și negativi din soluția de lângă suprafața membranei să se separe unul de celălalt. În același timp, mișcarea termică face ca ionii pozitivi și negativi să aibă tendința de a reveni la amestecarea uniformă. Sub combinația acestor două tendințe opuse, excesul de ioni heterosigni este difuzat în mediu lângă suprafața filmului încărcat pentru a forma un strat dublu. Când electrificarea membranei este aceeași cu cea a soluției, adsorbția poluării este mică. Dimpotrivă, adsorbția este mai mare. Cantitatea de poluare adsorbită pe suprafața membranei depinde de rezultatul combinat al celor două forțe de mai sus.

 

Modelul de adsorbție al murdării membranei poate fi exprimat prin ecuația de adsorbție Gibbs și ecuația de adsorbție Fredrich. Printre acestea, ecuația de adsorbție Gibbs se concentrează pe relația de adsorbție în condiții izoterme:

În cazul în care căldura de adsorbție este legată de gradul de acoperire a suprafeței, se utilizează ecuația Friedrich:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Unde, Γ este capacitatea de adsorbție a poluării a peliculei pe unitatea de suprafață

k, n este constanta de corelație și c este concentrația de echilibru a soluției

 

03 Controlul poluării membranelor

Conform mecanismului și modelului de adsorbție al poluării membranei, poluarea membranei poate fi controlată prin ajustarea următorilor factori: proprietăți hidrofile ale materialelor membranei; Proprietățile de încărcare ale materialelor membranare; Concentrația soluției de tratament; Debitul fluidului de tratare.

În această lucrare, factorii de influență ai celor patru tipuri de poluare membranară de mai sus au fost studiați prin experimente relevante, pentru a căuta controlul modificărilor diferiților factori asupra poluării membranei.

 

3.1 Echipamente și materiale experimentale

Echipamentul folosit în acest experiment include ultrafiltru cu plăci fabricat singur, rezervor de lichid de alimentare autofabricat, baie de apă cu temperatură super constantă, pompă de circulație de măsurare WZJ-II, contor izotop C14, scară cu arc de cuarț, contor de înălțime și așa mai departe.

Materialele utilizate sunt soluție standard de BSA, soluție de fermentație alcoolică preparată, polisulfonă (PS), polisulfon amidă (PSA), poliacrilonitril (PAN) și membrană de ultrafiltrare cu plăci de fibre de acetat cu greutate moleculară de 30,000.

 

3.2 Fluxul ciclului experimental și condițiile de control

În primul rând, membrana de ultrafiltrare a diferitelor materiale este transformată în blocuri în funcție de dimensiunea și forma rezervorului de ultrafiltrare și este înmuiată în apă pură timp de 24 de ore, iar greutatea filmului umed este cântărită. Apoi, soluția de fermentație alcoolică sau soluția standard de BSA de diferite concentrații preparate prin aceeași metodă este turnată în rezervorul de lichid de alimentare. Procesul este urmat de o circulație constantă a temperaturii și a presiunii aerului conform procesului prezentat în figura 1. După echilibrul de adsorbție al membranei de ultrafiltrare, greutatea blocului membranei după echilibrul de adsorbție este determinată pentru a determina cantitatea de adsorbție de echilibru a membranei experimentale. bloc.

Greutatea membranei soluției standard de BSA și a soluției de fermentație alcoolică a fost determinată prin metoda izotopilor C14 și, respectiv, bilanțul cu arc de cuarț și contorul de înălțime. Debitul lichidului de alimentare este controlat de supapa de reglare și pompa de măsurare și măsurat de cronometru și cilindru de măsurare. Valoarea pH-ului soluției de fermentare alcoolică a fost măsurată cu pH-metrul PHB-4 și ajustată cu soluții de HCl 1 N și respectiv NaOH.

 

3.3 Rezultate experimentale și discuții

3.3.1 Experiment privind hidrofilitatea materialelor membranare

Am selectat cel mai reprezentativ material membranar hidrofil membrana de ultrafiltrare cu fibre de acetat (CA) și cel mai reprezentativ material membranar hidrofob membrana de ultrafiltrare polisulfonă (PS) pentru a efectua un experiment comparativ de test de adsorbție de echilibru în soluție standard de BSA, iar curba de echilibru a poluării membranei a fost măsurată. de izotopul C14 a fost prezentat în Figura 2: După cum se poate observa din Figura 2, capacitatea de adsorbție a membranei PS hidrofobe pentru echilibrul de poluare cu BSA este de aproximativ 1.0mg/m2, care este de 5 ori mai mare decât membrana CA hidrofilă. în aceleași condiții, iar timpul până la atingerea capacității de adsorbție a echilibrului de poluare este de 60 de minute, adică de 6 ori mai mult decât membrana CA. Se poate observa că membrana din materiale hidrofile reduce H213 datorită creșterii Hamaker-ului său, reducând astfel forța ventilatorului dintre materialul membranei și solut și reducând eficient nivelul de poluare al suprafeței membranei. Din ecuația lui Gibbs se vede clar că după determinarea parametrilor C, T, R și , Γ se modifică doar cu θ. Cu cât hidrofobicitatea materialului este mai puternică, cu atât d (COSθ)/dC este mai mare, cu atât poluarea membranei este mai gravă.
 

Experimentul a arătat că membrana hidrofilă a avut avantajul unei capacități scăzute de adsorbție de echilibru a poluării. Membrana hidrofobă are avantajul unui timp îndelungat pentru a atinge echilibrul de absorbție a poluării. Prin urmare, de fapt, membrana de ultrafiltrare străină actuală adoptă în general practica materialelor hidrofile compozite pe baza membranei de bază hidrofobe, care nu numai că reduce poluarea suprafeței membranei, dar și extinde timpul pentru a ajunge la echilibrul de adsorbție al poluării. a suprafeței membranei, ceea ce îmbunătățește eficient performanța membranei de ultrafiltrare.

 

3.3.2 Experimente privind proprietățile de încărcare ale materialelor membranare

Am selectat un film PAN încărcat pozitiv mai reprezentativ și un film PAN încărcat negativ pentru a face experimente comparative. Condiţiile experimentale au fost: funcţionarea la presiunea aerului; Temperatura: 25 de grade; Concentrația soluției de fermentație: 0.333 g/L; pH-ul este 3,5; Debit: 43,7 cm/min.

Tabelul 1 și Figura 3 arată capacitatea de adsorbție a poluării la echilibru și curba de echilibru de adsorbție a membranei de ultrafiltrare (PAN) din poliacrilonitril încărcată pozitiv și, respectiv, încărcată negativ, în soluția de fermentație alcoolică. Din analiza diagramei se poate observa că capacitatea de adsorbție la echilibru a membranei de ultrafiltrare PAN cu încărcare pozitivă este mult mai mică decât cea a membranei PAN cu încărcare negativă în mediul soluției de fermentare a alcoolului cu încărcare pozitivă acidă. Cu cât valoarea pH-ului este mai mică, cu atât mai puternică este pozitivitatea soluției, cu atât este mai mare diferența dintre capacitatea de adsorbție în echilibrul poluării a celor două membrane, iar când valoarea pH-ului soluției este aproape de punctul izoelectric, capacitatea de adsorbție a două membrane tinde să fie consistente, iar diferența dintre capacitatea maximă de adsorbție a celor două membrane poate ajunge la mai mult de 75%.

Se poate observa că, datorită efectului dublu strat electric, relația dintre membrană și sarcina soluției (valoarea pH-ului) va avea un impact foarte mare asupra poluării membranei. Când încărcătura membranei este aceeași cu cea a soluției, soluția prinsă este în general departe de suprafața membranei, rezultând o poluare mai mică. Când sarcina membranei este opusă sarcinii soluției, soluția prinsă este ușor adsorbită și depusă pe suprafața membranei, rezultând o poluare mai mare.

Prin urmare, în tratarea de alimentare cu apă și de drenaj, în special în procesul de tratare a apelor uzate, trebuie acordată o atenție deosebită încărcării lichidului de epurare (exprimat de obicei în pH). Când lichidul de tratament este acid, este selectată membrană de ultrafiltrare încărcată pozitiv; Când soluția de tratament este alcalină, este selectată membrana de ultrafiltrare încărcată negativ.

 

3.3.3 Concentrația soluției de tratare

Conform ecuației Fredrich Γ=k×c1 / n, membrane de ultrafiltrare din patru materiale, și anume polialum (PS), polialum amidă (PSA), poliacrilonitril (PAN) și fibre de acetat (CA), au fost selectate pentru a determina poluarea formată în lichidul de fermentație alcoolică de diferite concentrații. Condiţiile experimentale au fost următoarele: presiune; Funcționare la presiunea aerului; Temperatură; 25 de grade; Debit lichid de fermentare: 43,7 cm/min. Rezultatele experimentale sunt prezentate în tabelul 2.

Prin regresia liniară a datelor din tabelul 2, ecuația Fredrich a capacității de adsorbție a patru tipuri de poluare membranară a fost obținută după cum urmează:

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

Membrană CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Din ecuația de mai sus se poate observa că cantitatea de adsorbție a poluării pe suprafața filmului este direct legată de concentrația soluției de tratare. Cu cât concentrația lichidului de tratare este mai mare, cu atât este mai puternică poluarea suprafeței membranei. Pentru filmul hidrofil, creșterea poluării suprafeței cauzată de schimbarea concentrației este mai mare decât creșterea poluării filmului hidrofob. Prin urmare, în tratarea apei, în special în industria de tratare a apelor uzate, utilizarea diluării cu retur a apei filtrate și a altor mijloace pentru a reduce concentrația lichidului de tratare are un efect semnificativ asupra controlului și reducerii poluării suprafeței filmului.

 

3.3.4 Debitul lichidului de tratare

Influența debitului lichidului de tratare asupra poluării suprafeței membranei a fost analizată prin experimentele de adsorbție a poluării membranelor CA și PS la debite diferite. SMOCHIN. 4 şi FIG. 5 a arătat capacitatea de adsorbție de echilibru a membranelor de ultrafiltrare CA și PS în timpul circulației sub presiune a lichidului de fermentație alcoolică, respectiv, în condiții experimentale de 25 de grade. Valoarea pH-ului este de 3,5. Din diagrama de date se pot trage următoarele concluzii: capacitatea de absorbție a poluării la echilibru a membranelor hidrofile și hidrofobe este liniar invers proporțională cu debitul filtratului. Proporția de absorbție a poluării de echilibru a membranei hidrofile a scăzut odată cu creșterea vitezei de curgere a fost mai mare decât cea a membranei hidrofobe.

Acest lucru se datorează faptului că creșterea debitului lichidului de tratare nu conduce numai la reducerea fenomenului de polarizare a concentrației pe suprafața filmului, reducând astfel poluarea suprafeței filmului, ci și la reducerea poluării suprafeței filmului datorită efectului de forfecare al fluid de mare viteză pe suprafața filmului. În același timp, creșterea debitului va crește, de asemenea, efectul de micro-agitare al soluției de tratament, va promova dizolvarea soluției și va reduce apariția poluării membranei.

 

3.3.5 Alte Metode

În plus, pretratarea adecvată a suprafeței membranei și tratarea este, de asemenea, o metodă eficientă de control al poluării suprafeței membranei. JA Howell și colab. a folosit metoda de fixare a papayazei în membrana de ultrafiltrare pentru a descompune zerul depus pe suprafața membranei, ceea ce a redus foarte mult poluarea membranei. În plus, membrana de ultrafiltrare cu polisulfonă tratată cu Tween80 a redus foarte mult poluarea suprafeței membranei în timpul ultrafiltrării soluției de BSA, ceea ce este un bun tratament pentru a reduce poluarea suprafeței membranei.

 

04 Concluzie

Problema cheie a aplicării membranei de ultrafiltrare în domeniul alimentării cu apă și drenajului este scăderea fluxului cauzată de poluarea membranei. Principalii factori care cauzează poluarea suprafeței membranei de ultrafiltrare includ: proprietățile materialelor membranei, cooperarea dintre materialele membranei și lichidul de tratare, concentrația și debitul lichidului de tratare și alți factori. Îmbunătățind în continuare proprietățile materialelor membranare și gestionând în mod rezonabil potrivirea diferitelor parametri între membrană și lichidul de tratare, această problemă dificilă poate fi rezolvată eficient, astfel încât membrana de ultrafiltrare să poată fi utilizată mai pe scară largă în domeniul alimentării cu apă și drenajului. Tehnologia Hangzhou Jiuling va face, de asemenea, mai multe metode de cercetare și dezvoltare în soluția de poluare cu membrană în viitor, pentru a îmbunătăți status quo-ul.