Mechanisme en beheersing van vervuiling door ultrafiltratiemembranen
Het volgende zal kort het mechanisme en het model van ultrafiltratiemembraanvervuiling introduceren.
De testresultaten laten zien dat de belangrijkste factoren die membraanvervuiling veroorzaken de eigenschappen van membraanmaterialen zijn, de interactie tussen membraanmaterialen en de behandelde vloeistof, de concentratie en de stroomsnelheid van de behandelde vloeistof, enz.
Het probleem van membraanvervuiling kan effectief worden opgelost door de eigenschappen van membraanmaterialen te verbeteren en op een redelijke manier om te gaan met de parameteraanpassing tussen het membraan en de behandelde vloeistof.
01 Toepassing van membraantechnologie in de watervoorziening- en drainage-industrie
Vanwege de brede toepassing van ultrafiltratiemembraan op het gebied van watertoevoer en -afvoer, neemt de filtratieweerstand veroorzaakt door membraanvervuiling tijdens de werking van het systeem, vooral op het gebied van afvalwaterzuivering, voortdurend toe, en de ernstige verzwakking van membraanfiltratie flux is de sleutel om de toepassing en promotie van deze technologie te belemmeren. Dit artikel heeft tot doel het begrip van de effectieve toepassing van membraantechnologie op het gebied van watervoorziening en -afvoer te verbeteren door de factoren voor verontreinigingsbeheersing van het experiment met ultrafiltratiemembraanvervuiling samen te vatten.
02 Mechanisme en model van ultrafiltratiemembraanvervuiling
2.1 Mechanisme en model van vervuiling
Theoretisch gesproken is het adsorptieproces van de oplossing op het oppervlak van het membraan gecompliceerd omdat er altijd sprake is van competitieve adsorptie tussen de opgeloste stof en het oplosmiddel of tussen de componenten van het adsorbensmengsel (membraan) in het adsorptieproces, dus de adsorptie-isotherm van de oplossing moet worden berekend door de schijnbare isotherme adsorptielijn te meten en de juiste dampadsorptiegegevens op te tellen. Vanuit kwalitatief oogpunt kan echter worden aangenomen dat de adsorptie van het membraan aan de opgeloste stof nauw verband houdt met de polariteit tussen de twee, en dat het membraan van polaire materialen de neiging heeft polaire stoffen sterk te adsorberen, en de adsorptie van niet-polaire stoffen is veel zwakker. Integendeel, de film van niet-polaire materialen adsorbeert eerder niet-polaire opgeloste stoffen.
Aan de andere kant lossen polaire opgeloste stoffen, volgens het principe van vergelijkbare oplosbaarheid, gemakkelijk op in polaire oplosmiddelen, terwijl niet-polaire opgeloste stoffen gemakkelijk oplossen in niet-polaire oplosmiddelen. Hoe gemakkelijker het oplost, hoe kleiner de kans dat het door het membraanoppervlak wordt geadsorbeerd. Samenvattend: als de polariteit van de opgeloste stof dichter bij het oplosmiddel en tegengesteld aan het membraan ligt, is de adsorptie van de opgeloste stof op het membraanoppervlak minder. Vanuit microscopisch oogpunt zijn de moeilijkheid van adsorptie op het membraanoppervlak en de stabiliteit van de adsorptielaag gerelateerd aan de interactiekracht tussen de macromoleculaire opgeloste stof, het membraanoppervlak en de macromoleculaire opgeloste stof. De kracht daartussen wordt over het algemeen verdeeld in van der Waals-kracht en dubbellaagskracht.
2.1.1 Van der Waals-krachten
De grootte van de Van Gogh-kracht tussen twee lichamen kan worden gekarakteriseerd door de Hamaker-proportionaliteitsconstante H. Voor het ternaire systeem van water (1), opgeloste stof (2) en membraan (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] in formule 2 zijn H11, H22 en H33 respectievelijk de Hamaker-constanten van water, opgeloste stof en membraan. Het hydrofobe membraan, H33, nam af; Voor hydrofobe opgeloste stoffen nam H22 af. Beiden kunnen leiden tot de toename van H213, de ventilatorkracht tussen het membraan en de opgeloste stof vergroten en de vervuiling van het membraanoppervlak verergeren. Daarom maken zowel hydrofobe membranen als opgeloste stoffen het membraanoppervlak gevoeliger voor verontreiniging.
2.1.2 Kracht van dubbele elektrische laag
Wanneer het membraan in contact komt met de oplossing, wordt het oppervlak van het membraan geladen als gevolg van de ionische adsorptie, dipooloriëntatie, waterstofbinding en andere effecten, en de oppervlaktelading kan de ionenverdeling in de oplossing nabij het oppervlak beïnvloeden: de ionen met verschillende ladingen worden aangetrokken door de oppervlaktelading en neigen naar het oppervlak van het membraan; De ionen met dezelfde lading worden afgestoten door de oppervlaktelading en bevinden zich ver weg van het oppervlak van het membraan, waardoor de positieve en negatieve ionen in de oplossing nabij het oppervlak van het membraan van elkaar gescheiden zijn. Tegelijkertijd zorgt de thermische beweging ervoor dat de positieve en negatieve ionen de neiging hebben om terug te keren naar een uniforme menging. Door de combinatie van deze twee tegengestelde trends worden de overtollige heterosign-ionen in het medium nabij het oppervlak van de geladen film gediffundeerd om een dubbele laag te vormen. Wanneer de elektrificatie van het membraan dezelfde is als die van de oplossing, is de adsorptie van de vervuiling klein. Integendeel, de adsorptie is groter. De hoeveelheid vervuiling die op het membraanoppervlak wordt geadsorbeerd, hangt af van het gecombineerde resultaat van de bovengenoemde twee krachten.
Het adsorptiemodel van membraanvervuiling kan worden uitgedrukt door de adsorptievergelijking van Gibbs en de adsorptievergelijking van Fredrich. Onder hen concentreert de adsorptievergelijking van Gibbs zich op de adsorptierelatie onder isotherme omstandigheden:
In het geval dat de adsorptiewarmte gerelateerd is aan de mate van oppervlaktebedekking, wordt de Friedrich-vergelijking gebruikt:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Waarbij Γ de vervuilingsadsorptiecapaciteit van de film per oppervlakte-eenheid is
k, n is de correlatieconstante en c is de evenwichtsconcentratie van de oplossing
03 Beheersing van membraanvervuiling
Volgens het mechanisme en het adsorptiemodel van membraanvervuiling kan membraanvervuiling worden beheerst door de volgende factoren aan te passen: hydrofiele eigenschappen van membraanmaterialen; Oplaadeigenschappen van membraanmaterialen; De concentratie van de behandelingsoplossing; De stroomsnelheid van de behandelingsvloeistof.
In dit artikel werden de invloedsfactoren van de bovengenoemde vier soorten membraanvervuiling bestudeerd door middel van relevante experimenten, om de controle te verkrijgen over de veranderingen van verschillende factoren op membraanvervuiling.
3.1 Experimentele apparatuur en materialen
De apparatuur die in dit experiment wordt gebruikt, omvat een zelfgemaakt platenultrafilter, een zelfgemaakte voedingsvloeistoftank, een waterbad met superconstante temperatuur, een WZJ-II-meetcirculatiepomp, een C14-isotoopmeter, een kwartsveerschaal, een hoogtemeter enzovoort.
De gebruikte materialen zijn standaard BSA-oplossing, bereide alcoholfermentatieoplossing, polysulfon (PS), polysulfonamide (PSA), polyacrylonitril (PAN) en ultrafiltratiemembraan met acetaatvezelplaten met een molecuulgewicht van 30,000.
3.2 Experimentele cyclusstroom en controleomstandigheden
Eerst wordt het ultrafiltratiemembraan van verschillende materialen tot blokken gemaakt, afhankelijk van de grootte en vorm van de ultrafiltratietank, en gedurende 24 uur in zuiver water geweekt, en wordt het gewicht van de natte film gewogen. Vervolgens wordt respectievelijk een alcoholfermentatieoplossing of een standaard BSA-oplossing met verschillende concentraties, bereid volgens dezelfde methode, in de voedingsvloeistoftank gegoten. Het proces wordt gevolgd door constante temperatuur- en luchtdrukcirculatie volgens het proces weergegeven in figuur 1. Na het adsorptie-evenwicht van het ultrafiltratiemembraan wordt het gewicht van het membraanblok na het adsorptie-evenwicht bepaald om de evenwichtsadsorptiehoeveelheid van het experimentele membraan te bepalen. blok.
Het membraangewicht van standaard BSA-oplossing en alcoholfermentatieoplossing werd respectievelijk bepaald met de C14-isotoopmethode en kwartsveerbalans en hoogtemeter. Het debiet van de voedingsvloeistof wordt geregeld door een regelklep en meetpomp, en gemeten door een stopwatch en een meetcilinder. De pH-waarde van de alcoholfermentatieoplossing werd gemeten met een PHB-4 pH-meter en aangepast met respectievelijk 1 N HCl- en NaOH-oplossingen.
3.3 Experimentele resultaten en discussie
3.3.1 Experiment met hydrofiliciteit van membraanmaterialen
We hebben het meest representatieve hydrofiele membraanmateriaal acetaatvezel-ultrafiltratiemembraan (CA) en het meest representatieve hydrofobe membraanmateriaal polysulfon-ultrafiltratiemembraan (PS) geselecteerd om een vergelijkend experiment uit te voeren van evenwichtsadsorptietest in standaard BSA-oplossing, en de evenwichtscurve van membraanvervuiling gemeten door C14-isotoop werd weergegeven in Figuur 2: Zoals uit Figuur 2 blijkt, is de adsorptiecapaciteit van het hydrofobe PS-membraan voor het BSA-vervuilingsevenwicht ongeveer 1,0 mg/m2, wat vijf keer zo groot is als dat van het hydrofiele CA-membraan onder dezelfde omstandigheden, en de tijd om de adsorptiecapaciteit van het vervuilingsevenwicht te bereiken is 60 minuten, wat 6 maal zo groot is als die van een CA-membraan. Het is te zien dat het membraan gemaakt van hydrofiele materialen H213 vermindert als gevolg van de toename van de Hamaker, waardoor de ventilatorkracht tussen het membraanmateriaal en de opgeloste stof wordt verminderd en het vervuilingsniveau van het membraanoppervlak effectief wordt verminderd. Uit de Gibbs-vergelijking blijkt duidelijk dat na de bepaling van parameters C, T, R en , Γ alleen verandert met θ. Hoe sterker de hydrofobiciteit van het materiaal, hoe groter de d( COSθ)/dC, hoe ernstiger de membraanvervuiling.
Het experiment toonde aan dat het hydrofiele membraan het voordeel had van een laag vervuilingsevenwichtsadsorptievermogen. Het hydrofobe membraan heeft het voordeel dat het lang duurt om het evenwicht van de adsorptie van vervuiling te bereiken. Daarom neemt het huidige buitenlandse ultrafiltratiemembraan in het algemeen de praktijk van hydrofiele composietmaterialen over op basis van een hydrofoob basismembraan, wat niet alleen de vervuiling van het membraanoppervlak vermindert, maar ook de tijd verlengt om het adsorptieevenwicht van de vervuiling te bereiken. van het membraanoppervlak, wat de prestaties van het ultrafiltratiemembraan effectief verbetert.
3.3.2 Experimenten met oplaadeigenschappen van membraanmaterialen
We selecteerden een meer representatieve positief geladen PAN-film en een negatief geladen PAN-film om vergelijkende experimenten uit te voeren. De experimentele omstandigheden waren: luchtdrukwerking; Temperatuur: 25 graden; Concentratie fermentatieoplossing: 0,333 g/l; pH-waarde 3,5; Stroomsnelheid: 43,7 cm/min.
Tabel 1 en Figuur 3 tonen respectievelijk het evenwichtsabsorptievermogen voor vervuiling en de adsorptie-evenwichtscurve van positief geladen en negatief geladen polyacrylonitril-ultrafiltratiemembraan (PAN) in alcoholfermentatieoplossing. Uit de diagramanalyse blijkt dat het evenwichtsadsorptievermogen van positief geladen PAN-ultrafiltratiemembraan veel lager is dan dat van negatief geladen PAN-membraan in de omgeving van een zure positief geladen alcoholfermentatieoplossing. Hoe lager de pH-waarde, hoe sterker de positiviteit van de oplossing, hoe groter het verschil tussen het vervuilingsevenwichtsadsorptievermogen van de twee membranen, en wanneer de pH-waarde van de oplossing dicht bij het iso-elektrische punt ligt, het adsorptievermogen van de oplossing. twee membranen hebben de neiging consistent te zijn en het verschil tussen de maximale adsorptiecapaciteit van de twee membranen kan meer dan 75% bedragen.
Het is duidelijk dat als gevolg van het effect van de dubbele elektrische laag de relatie tussen membraan en oplossingslading (pH-waarde) een zeer grote impact zal hebben op membraanvervuiling. Wanneer de lading van het membraan dezelfde is als die van de oplossing, bevindt de opgevangen opgeloste stof zich doorgaans ver weg van het membraanoppervlak, wat resulteert in minder vervuiling. Wanneer de lading van het membraan tegengesteld is aan de lading van de oplossing, wordt de opgevangen opgeloste stof gemakkelijk geadsorbeerd en afgezet op het membraanoppervlak, wat resulteert in grotere vervuiling.
Daarom moet bij de watertoevoer- en afvoerbehandeling, vooral bij het afvalwaterzuiveringsproces, speciale aandacht worden besteed aan het laden van de behandelingsvloeistof (meestal uitgedrukt in pH). Wanneer de behandelingsvloeistof zuur is, wordt een positief geladen ultrafiltratiemembraan geselecteerd; Wanneer de behandelingsoplossing alkalisch is, wordt het negatief geladen ultrafiltratiemembraan gekozen.
3.3.3 Concentratie van de behandelingsoplossing
Volgens de Fredrich-vergelijking Γ=k×c1 / n werden ultrafiltratiemembranen van vier materialen, namelijk polyalum (PS), polyalumamide (PSA), polyacrylonitril (PAN) en acetaatvezel (CA), geselecteerd om te bepalen de vervuiling gevormd in alcoholfermentatievloeistof met verschillende concentraties. De experimentele omstandigheden waren als volgt: druk; Luchtdrukbediening; Temperatuur; 25 graden; Debiet fermentatievloeistof: 43,7 cm/min. De experimentele resultaten worden getoond in Tabel 2.
Door lineaire regressie van de gegevens in Tabel 2 werd de Fredrich-vergelijking van de adsorptiecapaciteit van vier soorten membraanvervuiling als volgt verkregen:
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
Uit de bovenstaande vergelijking blijkt dat de hoeveelheid geadsorbeerde vervuiling op het filmoppervlak rechtstreeks verband houdt met de concentratie van de behandelingsoplossing. Hoe hoger de concentratie van de behandelingsvloeistof, hoe sterker de vervuiling van het membraanoppervlak. Voor hydrofiele film is de toename van de oppervlaktevervuiling veroorzaakt door de concentratieverandering groter dan de toename van de hydrofobe filmvervuiling. Daarom heeft bij de waterbehandeling, vooral in de rioolwaterzuiveringsindustrie, het gebruik van terugstroomverdunning van gefilterd water en andere middelen om de concentratie van de behandelingsvloeistof te verminderen een aanzienlijk effect op het beheersen en verminderen van de vervuiling van het filmoppervlak.
3.3.4 Debiet behandelingsvloeistof
De invloed van de stroomsnelheid van de behandelingsvloeistof op de oppervlaktevervuiling van het membraan werd geanalyseerd via de vervuilingsadsorptie-experimenten van CA- en PS-membranen bij verschillende stroomsnelheden. AFB. 4 en AFB. 5 toonde het evenwichtsadsorptievermogen van CA- en PS-ultrafiltratiemembranen tijdens respectievelijk de holle drukcirculatie van alcoholfermentatievloeistof onder de experimentele omstandigheden van 25 graden. De pH-waarde bedraagt 3,5. Uit het datadiagram kunnen de volgende conclusies worden getrokken: het evenwichtsabsorptievermogen voor vervuiling van zowel hydrofiele als hydrofobe membranen is lineair omgekeerd evenredig met de stroomsnelheid van het filtraat. Het aandeel van de evenwichtsvervuilingsadsorptie van het hydrofiele membraan nam af met de toename van de stroomsnelheid en was groter dan dat van het hydrofobe membraan.
Dit komt omdat de toename van de stroomsnelheid van de behandelingsvloeistof niet alleen bevorderlijk is voor het verminderen van het concentratiepolarisatiefenomeen op het filmoppervlak, waardoor de vervuiling van het filmoppervlak wordt verminderd, maar ook bevorderlijk is voor het verminderen van de vervuiling van het filmoppervlak als gevolg van het afschuifeffect van hogesnelheidsvloeistof op het filmoppervlak. Tegelijkertijd zal de toename van de stroomsnelheid ook het microroereffect van de behandelingsoplossing vergroten, het oplossen van de opgeloste stof bevorderen en het optreden van membraanvervuiling verminderen.
3.3.5 Andere methoden
Daarnaast is een goede voorbehandeling van het membraanoppervlak en nabehandeling ook een effectieve methode om de vervuiling van het membraanoppervlak onder controle te houden. JA Howell et al. gebruikte de methode om papayase in het ultrafiltratiemembraan te fixeren om de wei af te breken die op het oppervlak van het membraan was afgezet, waardoor de membraanvervuiling aanzienlijk werd verminderd. Bovendien verminderde het polysulfon-ultrafiltratiemembraan behandeld met Tween80 de vervuiling van het membraanoppervlak tijdens de ultrafiltratie van de BSA-oplossing aanzienlijk, wat een goed behandelingsmiddel is om de vervuiling van het membraanoppervlak te verminderen.
04 Conclusie
Het belangrijkste probleem bij de toepassing van ultrafiltratiemembranen op het gebied van watertoevoer en -afvoer is de afname van de flux veroorzaakt door membraanvervuiling. De belangrijkste factoren die de oppervlaktevervuiling van ultrafiltratiemembraan veroorzaken, zijn onder meer: de eigenschappen van membraanmaterialen, de samenwerking tussen membraanmaterialen en behandelingsvloeistof, de concentratie en stroomsnelheid van behandelingsvloeistof en andere factoren. Door de eigenschappen van membraanmaterialen verder te verbeteren en op een redelijke manier om te gaan met de verschillende parameteraanpassingen tussen membraan en behandelingsvloeistof, kan dit moeilijke probleem effectief worden opgelost, zodat ultrafiltratiemembraan op grotere schaal kan worden gebruikt op het gebied van watertoevoer en -afvoer. Hangzhou Jiuling Technology zal in de toekomst ook meer onderzoeks- en ontwikkelingsmethoden ontwikkelen voor het oplossen van membraanvervuiling om de status quo te verbeteren.