Meccanismo e controllo dell'inquinamento della membrana di ultrafiltrazione
Di seguito verrà brevemente introdotto il meccanismo e il modello dell'inquinamento della membrana di ultrafiltrazione.
I risultati dei test mostrano che i principali fattori che causano l'inquinamento della membrana comprendono le proprietà dei materiali della membrana, l'interazione tra i materiali della membrana e il liquido trattato, la concentrazione e la portata del liquido trattato, ecc.
Il problema dell'incrostazione della membrana può essere risolto in modo efficace migliorando le proprietà dei materiali della membrana e gestendo in modo ragionevole la corrispondenza dei parametri tra la membrana e il liquido trattato.
01 Applicazione della tecnologia a membrana nel settore dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio
A causa dell'ampia applicazione della membrana di ultrafiltrazione nel campo dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio, la resistenza alla filtrazione causata dall'inquinamento della membrana durante il funzionamento del sistema, soprattutto nel campo del trattamento delle acque reflue, è in costante aumento e la grave attenuazione della filtrazione a membrana Il flusso è la chiave per ostacolare l’applicazione e la promozione di questa tecnologia. Questo documento mira a migliorare la comprensione dell'applicazione efficace della tecnologia a membrana nel campo dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio riassumendo i fattori di controllo dell'inquinamento dell'esperimento sull'inquinamento della membrana di ultrafiltrazione.
02 Meccanismo e modello di inquinamento delle membrane di ultrafiltrazione
2.1 Meccanismo e modello di inquinamento
In teoria, il processo di adsorbimento della soluzione sulla superficie della membrana è complicato perché nel processo di adsorbimento c'è sempre un adsorbimento competitivo tra il soluto e il solvente o tra i componenti della miscela adsorbente (membrana), quindi l'isoterma di adsorbimento di la soluzione deve essere calcolata misurando la linea di adsorbimento isotermica apparente e aggiungendo i dati appropriati di adsorbimento del vapore. Tuttavia, in effetti, da un punto di vista qualitativo, si può considerare che l'adsorbimento della membrana al soluto è strettamente correlato alla polarità tra i due, e la membrana dei materiali polari tende ad adsorbire fortemente le sostanze polari, e la l'adsorbimento di sostanze non polari è molto più debole. Al contrario, il film di materiali non polari ha maggiori probabilità di assorbire soluti non polari.
D'altra parte, secondo il principio di solubilità simile, i soluti polari si dissolvono facilmente nei solventi polari, mentre i soluti non polari si dissolvono facilmente nei solventi non polari. Quanto più facile è la sua dissoluzione, tanto minore è la probabilità che venga adsorbito dalla superficie della membrana. In sintesi, se la polarità del soluto è più vicina al solvente e opposta a quella della membrana, l'adsorbimento del soluto sulla superficie della membrana è minore. Dal punto di vista microscopico, la difficoltà di adsorbimento sulla superficie della membrana e la stabilità dello strato di adsorbimento sono legate alla forza di interazione tra il soluto macromolecolare, la superficie della membrana e il soluto macromolecolare. La forza tra loro è generalmente divisa in forza di van der Waals e forza a doppio strato.
2.1.1 Forze di Van der Waals
L'entità della forza di Van Gogh tra due corpi può essere caratterizzata dalla costante di proporzionalità di Hamaker H. Per il sistema ternario di acqua (1), soluto (2) e membrana (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] nella formula 2, H11, H22 e H33 sono le costanti Hamaker di acqua, soluto e membrana, rispettivamente. La membrana idrofobica, H33, è diminuita; Per il soluto idrofobo, l’H22 è diminuito. Entrambi possono portare all'aumento di H213, aumentare la forza della ventola tra la membrana e il soluto e aggravare l'inquinamento della superficie della membrana. Pertanto, sia le membrane idrofobiche che i soluti rendono la superficie della membrana più suscettibile alla contaminazione.
2.1.2 Forza del doppio strato elettrico
Quando la membrana è in contatto con la soluzione, la superficie della membrana verrà caricata a causa dell'adsorbimento ionico, dell'orientamento del dipolo, del legame idrogeno e di altri effetti, e la carica superficiale può influenzare la distribuzione degli ioni nella soluzione vicino alla superficie: la ioni con cariche diverse sono attratti dalla carica superficiale e tendono verso la superficie della membrana; Gli ioni con la stessa carica vengono respinti dalla carica superficiale e sono lontani dalla superficie della membrana, il che rende gli ioni positivi e negativi nella soluzione vicino alla superficie della membrana separati gli uni dagli altri. Allo stesso tempo, il movimento termico fa sì che gli ioni positivi e negativi abbiano la tendenza a ritornare ad una miscelazione uniforme. Sotto la combinazione di questi due andamenti opposti, gli ioni eterosi in eccesso si diffondono nel mezzo in prossimità della superficie del film caricato per formare un doppio strato. Quando l'elettrificazione della membrana è uguale a quella della soluzione, l'adsorbimento dell'inquinamento è piccolo. Al contrario, l’assorbimento è maggiore. La quantità di inquinamento adsorbito sulla superficie della membrana dipende dal risultato combinato delle due forze sopra indicate.
Il modello di adsorbimento dell'incrostazione della membrana può essere espresso dall'equazione di adsorbimento di Gibbs e dall'equazione di adsorbimento di Fredrich. Tra questi, l'equazione di adsorbimento di Gibbs si concentra sulla relazione di adsorbimento in condizioni isotermiche:
Nel caso in cui il calore di adsorbimento sia correlato al grado di copertura superficiale, si utilizza l’equazione di Friedrich:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Dove, Γ è la capacità di assorbimento dell'inquinamento del film per unità di superficie
k, n è la costante di correlazione e c è la concentrazione di equilibrio della soluzione
03 Controllo dell'inquinamento delle membrane
Secondo il meccanismo e il modello di adsorbimento dell'inquinamento della membrana, l'inquinamento della membrana può essere controllato regolando i seguenti fattori: proprietà idrofile dei materiali della membrana; Proprietà di carica dei materiali delle membrane; La concentrazione della soluzione di trattamento; La portata del fluido di trattamento.
In questo articolo, i fattori che influenzano i quattro tipi di inquinamento delle membrane sopra menzionati sono stati studiati attraverso esperimenti pertinenti, al fine di cercare il controllo dei cambiamenti di vari fattori sull'inquinamento delle membrane.
3.1 Attrezzature e materiali sperimentali
L'attrezzatura utilizzata in questo esperimento comprende un ultrafiltro a piastre autocostruito, un serbatoio del liquido di alimentazione autocostruito, un bagnomaria a temperatura super costante, una pompa di circolazione dosatrice WZJ-II, un misuratore di isotopi C14, una bilancia a molla al quarzo, un misuratore di altezza e così via.
I materiali utilizzati sono una soluzione BSA standard, una soluzione preparata per la fermentazione alcolica, polisulfone (PS), polisulfone ammide (PSA), poliacrilonitrile (PAN) e membrana di ultrafiltrazione su piastra in fibra di acetato con peso molecolare di 30,000.
3.2 Flusso del ciclo sperimentale e condizioni di controllo
Innanzitutto, la membrana di ultrafiltrazione di vari materiali viene realizzata in blocchi in base alle dimensioni e alla forma del serbatoio di ultrafiltrazione, quindi immersa in acqua pura per 24 ore e viene pesato il peso della pellicola bagnata. Quindi, nel serbatoio del liquido di alimentazione viene versata rispettivamente la soluzione di fermentazione alcolica o la soluzione BSA standard di diverse concentrazioni preparate con lo stesso metodo. Il processo è seguito da una circolazione a temperatura costante e pressione dell'aria secondo il processo mostrato nella Figura 1. Dopo l'equilibrio di adsorbimento della membrana di ultrafiltrazione, viene determinato il peso del blocco di membrana dopo l'equilibrio di adsorbimento per determinare la quantità di adsorbimento di equilibrio della membrana sperimentale bloccare.
Il peso della membrana della soluzione BSA standard e della soluzione di fermentazione alcolica è stato determinato rispettivamente mediante il metodo dell'isotopo C14, una bilancia a molla al quarzo e un misuratore di altezza. La portata del liquido di alimentazione è controllata dalla valvola di regolazione e dalla pompa di misurazione e misurata dal cronometro e dal cilindro graduato. Il valore del pH della soluzione di fermentazione alcolica è stato misurato dal pHmetro PHB-4 e regolato rispettivamente con soluzioni 1 N di HCl e NaOH.
3.3 Risultati sperimentali e discussione
3.3.1 Esperimento sull'idrofilicità dei materiali delle membrane
Abbiamo selezionato la membrana di ultrafiltrazione in fibra di acetato (CA) del materiale della membrana idrofila più rappresentativa e la membrana di ultrafiltrazione in polisulfone (PS) del materiale della membrana idrofobica più rappresentativa per condurre un esperimento comparativo di test di adsorbimento all'equilibrio in una soluzione BSA standard e la curva di equilibrio dell'inquinamento della membrana misurata dall'isotopo C14 è stato mostrato nella Figura 2: Come si può vedere dalla Figura 2, la capacità di adsorbimento della membrana PS idrofobica per l'equilibrio dell'inquinamento BSA è di circa 1,0 mg/m2, che è 5 volte quella della membrana CA idrofila nelle stesse condizioni, e il tempo per raggiungere la capacità di assorbimento dell'equilibrio dell'inquinamento è di 60 minuti, ovvero 6 volte quello della membrana CA. Si può vedere che la membrana realizzata con materiali idrofili riduce l'H213 a causa dell'aumento del suo Hamaker, riducendo così la forza del ventilatore tra il materiale della membrana e il soluto e riducendo efficacemente il livello di inquinamento della superficie della membrana. Dall'equazione di Gibbs si vede chiaramente che dopo la determinazione dei parametri C, T, R e , Γ cambia solo con θ. Quanto più forte è l'idrofobicità del materiale, tanto maggiore è il d (COSθ)/dC, tanto più grave è l'inquinamento della membrana.
L'esperimento ha dimostrato che la membrana idrofila presentava il vantaggio di una bassa capacità di assorbimento dell'equilibrio dell'inquinamento. La membrana idrofobica ha il vantaggio di impiegare molto tempo per raggiungere l'equilibrio di assorbimento dell'inquinamento. Pertanto, in effetti, l'attuale membrana di ultrafiltrazione estranea adotta generalmente la pratica di materiali idrofili compositi sulla base della membrana di base idrofobica, che non solo riduce l'inquinamento della superficie della membrana, ma prolunga anche il tempo per raggiungere l'equilibrio di adsorbimento dell'inquinamento della superficie della membrana, che migliora efficacemente le prestazioni della membrana di ultrafiltrazione.
3.3.2 Esperimenti sulle proprietà di carica dei materiali di membrana
Abbiamo selezionato un film PAN caricato positivamente più rappresentativo e un film PAN caricato negativamente per eseguire esperimenti comparativi. Le condizioni sperimentali erano: funzionamento a pressione d'aria; Temperatura: 25 gradi; Concentrazione della soluzione di fermentazione: 0,333 g/L; il pH è 3,5; Portata: 43,7 cm/min.
La tabella 1 e la figura 3 mostrano la capacità di assorbimento dell'inquinamento in equilibrio e la curva di equilibrio di adsorbimento della membrana di ultrafiltrazione in poliacrilonitrile (PAN) caricata positivamente e caricata negativamente rispettivamente nella soluzione di fermentazione alcolica. Dall'analisi del diagramma si può vedere che la capacità di adsorbimento all'equilibrio della membrana di ultrafiltrazione PAN caricata positivamente è molto inferiore a quella della membrana PAN caricata negativamente nell'ambiente della soluzione di fermentazione alcolica acida caricata positivamente. Più basso è il valore del pH, più forte è la positività della soluzione, maggiore è la differenza tra la capacità di adsorbimento dell'equilibrio dell'inquinamento delle due membrane, e quando il valore del pH della soluzione è vicino al punto isoelettrico, la capacità di adsorbimento delle due membrane due membrane tendono ad essere coerenti e la differenza tra la capacità massima di adsorbimento delle due membrane può raggiungere oltre il 75%.
Si può vedere che, a causa dell'effetto del doppio strato elettrico, il rapporto tra la membrana e la carica della soluzione (valore pH) avrà un impatto molto grande sull'inquinamento della membrana. Quando la carica della membrana è uguale a quella della soluzione, il soluto intrappolato è generalmente lontano dalla superficie della membrana, con conseguente minore inquinamento. Quando la carica della membrana è opposta alla carica della soluzione, il soluto intrappolato viene facilmente adsorbito e depositato sulla superficie della membrana, provocando un maggiore inquinamento.
Pertanto, nel trattamento dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio, in particolare nel processo di trattamento delle acque reflue, è necessario prestare particolare attenzione al caricamento del liquido di trattamento (solitamente espresso in pH). Quando il liquido di trattamento è acido, viene selezionata una membrana di ultrafiltrazione caricata positivamente; Quando la soluzione di trattamento è alcalina, viene selezionata la membrana di ultrafiltrazione caricata negativamente.
3.3.3 Concentrazione della soluzione di trattamento
Secondo l'equazione di Fredrich Γ=k×c1 / n, sono state selezionate membrane di ultrafiltrazione di quattro materiali, ovvero poliallume (PS), poliallumammide (PSA), poliacrilonitrile (PAN) e fibra di acetato (CA), per determinare l'inquinamento formato nel liquido di fermentazione alcolica di diverse concentrazioni. Le condizioni sperimentali erano le seguenti: pressione; Funzionamento con pressione dell'aria; Temperatura; 25 gradi; Portata del liquido di fermentazione: 43,7 cm/min. I risultati sperimentali sono mostrati nella Tabella 2.
Attraverso la regressione lineare dei dati nella Tabella 2, l'equazione di Fredrich della capacità di adsorbimento di quattro tipi di inquinamento delle membrane è stata ottenuta come segue:
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
Dall'equazione di cui sopra si può vedere che la quantità di sporco assorbito sulla superficie della pellicola è direttamente correlata alla concentrazione della soluzione di trattamento. Maggiore è la concentrazione del liquido di trattamento, maggiore è l'inquinamento della superficie della membrana. Per il film idrofilo, l'aumento dell'inquinamento superficiale causato dal cambiamento di concentrazione è maggiore dell'aumento dell'inquinamento del film idrofobico. Pertanto, nel trattamento dell'acqua, in particolare nel settore del trattamento delle acque reflue, l'uso della diluizione del riflusso dell'acqua filtrata e di altri mezzi per ridurre la concentrazione del liquido di trattamento ha un effetto significativo sul controllo e sulla riduzione dell'inquinamento della superficie del film.
3.3.4 Portata del liquido di trattamento
L'influenza della portata del liquido di trattamento sull'inquinamento superficiale della membrana è stata analizzata attraverso esperimenti di adsorbimento dell'inquinamento di membrane CA e PS a diverse portate. FICO. 4 e FIG. 5 ha mostrato la capacità di adsorbimento all'equilibrio delle membrane di ultrafiltrazione CA e PS durante la circolazione a pressione cava del liquido di fermentazione alcolica, rispettivamente, in condizioni sperimentali di 25 gradi. Il valore del pH è 3,5. Dal diagramma dei dati si possono trarre le seguenti conclusioni: la capacità di assorbimento dell'inquinamento all'equilibrio sia delle membrane idrofile che idrofobe è linearmente inversamente proporzionale alla portata del filtrato. La percentuale di assorbimento dell'inquinamento all'equilibrio della membrana idrofila diminuita con l'aumento della velocità del flusso era maggiore di quella della membrana idrofobica.
Questo perché l'aumento della portata del liquido di trattamento non solo favorisce la riduzione del fenomeno di polarizzazione della concentrazione sulla superficie del film, riducendo così l'inquinamento superficiale del film, ma favorisce anche la riduzione dell'inquinamento superficiale del film dovuto all'effetto di taglio del fluido ad alta velocità sulla superficie della pellicola. Allo stesso tempo, l'aumento della portata aumenterà anche l'effetto di microagitazione della soluzione di trattamento, favorirà la dissoluzione del soluto e ridurrà il verificarsi di inquinamento della membrana.
3.3.5 Altri metodi
Inoltre, anche un adeguato pretrattamento e trattamento della superficie della membrana rappresenta un metodo efficace per controllare l'inquinamento della superficie della membrana. JA Howell et al. ha utilizzato il metodo di fissaggio della papayasi nella membrana di ultrafiltrazione per decomporre il siero di latte depositato sulla superficie della membrana, riducendo notevolmente l'inquinamento della membrana. Inoltre, la membrana di ultrafiltrazione in polisulfone trattata con Tween80 ha ridotto notevolmente l'inquinamento della superficie della membrana durante l'ultrafiltrazione della soluzione BSA, che è un buon mezzo di trattamento per ridurre l'inquinamento della superficie della membrana.
04 Conclusione
Il problema chiave dell'applicazione della membrana di ultrafiltrazione nel campo dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio è la diminuzione del flusso causata dall'inquinamento della membrana. I principali fattori che causano l'inquinamento superficiale della membrana di ultrafiltrazione includono: le proprietà dei materiali della membrana, la cooperazione tra i materiali della membrana e il liquido di trattamento, la concentrazione e la portata del liquido di trattamento e altri fattori. Migliorando ulteriormente le proprietà dei materiali della membrana e gestendo ragionevolmente la corrispondenza dei vari parametri tra membrana e liquido di trattamento, questo difficile problema può essere risolto efficacemente, in modo che la membrana di ultrafiltrazione possa essere più ampiamente utilizzata nel campo dell'approvvigionamento idrico e del drenaggio. In futuro Hangzhou Jiuling Technology apporterà ulteriori metodi di ricerca e sviluppo nella soluzione dell'inquinamento delle membrane per migliorare lo status quo.
