Az ultraszűrős membránszennyezés mechanizmusa és szabályozása
Az alábbiakban röviden bemutatjuk az ultrafiltrációs membránszennyezés mechanizmusát és modelljét.
A vizsgálati eredmények azt mutatják, hogy a membránszennyezést okozó fő tényezők közé tartoznak a membránanyagok tulajdonságai, a membránanyagok és a kezelt folyadék közötti kölcsönhatás, a kezelt folyadék koncentrációja és áramlási sebessége stb.
A membránok eltömődésének problémája hatékonyan megoldható a membránanyagok tulajdonságainak javításával, valamint a membrán és a kezelt folyadék közötti paraméteregyeztetés ésszerű kezelésével.
01 Membrántechnológia alkalmazása a vízellátásban és vízelvezető iparban
Az ultraszűrő membrán vízellátás és elvezetés területén történő széleskörű alkalmazása miatt a rendszer működése során, különösen a szennyvíztisztítás területén a membránszennyezés okozta szűrési ellenállás folyamatosan növekszik, és a membránszűrés komoly gyengülése A fluxus a kulcsa e technológia alkalmazásának és népszerűsítésének. Jelen cikk célja a membrántechnológia vízellátási és vízelvezetési területen történő hatékony alkalmazásának jobb megértése az ultraszűrő membránszennyezési kísérlet szennyezésszabályozási tényezőinek összefoglalásával.
02 Az ultraszűrő membránszennyezés mechanizmusa és modellje
2.1 A szennyezés mechanizmusa és modellje
Elméletileg az oldat adszorpciós folyamata a membrán felületén bonyolult, mert az adszorpciós folyamatban mindig kompetitív adszorpció van az oldott anyag és az oldószer, illetve az adszorbens keverék (membrán) komponensei között, így az adszorpciós izoterma az oldatot a látszólagos izoterm adszorpciós vonal mérésével és a megfelelő gőzadszorpciós adatok hozzáadásával kell kiszámítani. Valójában azonban minőségi szempontból úgy tekinthető, hogy a membránnak az oldott anyaghoz való adszorpciója szorosan összefügg a kettő közötti polaritással, és a poláris anyagok membránja hajlamos erősen adszorbeálni poláris anyagokat, ill. a nem poláris anyagok adszorpciója sokkal gyengébb. Éppen ellenkezőleg, a nem poláris anyagok filmje nagyobb valószínűséggel adszorbeálja a nem poláris oldott anyagokat.
Másrészt a hasonló oldhatóság elve szerint a poláris oldott anyagok könnyen oldódnak poláris oldószerekben, míg a nem poláris oldott anyagok könnyen oldódnak a nem poláris oldószerekben. Minél könnyebben oldódik, annál kisebb a valószínűsége annak, hogy a membrán felülete adszorbeálja. Összefoglalva, ha az oldott anyag polaritása közelebb van az oldószerhez és ellentétes a membránnal, akkor az oldott anyag adszorpciója a membrán felületén kisebb. Mikroszkópikus szempontból a membrán felületén való adszorpció nehézsége és az adszorpciós réteg stabilitása a makromolekuláris oldott anyag, a membrán felülete és a makromolekuláris oldott anyag közötti kölcsönhatási erővel függ össze. A köztük lévő erőt általában van der Waals erőre és kettős rétegű erőre osztják.
2.1.1 Van der Waals erők
A két test közötti Van Gogh-erő nagysága a H Hamaker arányossági állandóval jellemezhető. A víz (1), az oldott anyag (2) és a membrán (3) hármas rendszerére: H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] a 2. képletben H11, H22 és H33 a víz, az oldott anyag és a membrán Hamaker-állandója. A hidrofób membrán, H33 csökkent; Hidrofób oldott anyag esetében a H22 csökkent. Mindkettő a H213 növekedéséhez vezethet, növelheti a membrán és az oldott anyag közötti Fan erőt, és súlyosbíthatja a membrán felületének szennyeződését. Ezért mind a hidrofób membránok, mind az oldott anyagok érzékenyebbé teszik a membrán felületét a szennyeződésekre.
2.1.2 A kettős elektromos réteg ereje
Amikor a membrán érintkezik az oldattal, a membrán felülete feltöltődik az ionadszorpció, a dipólus orientáció, a hidrogénkötés és egyéb hatások miatt, és a felületi töltés befolyásolhatja az ionok eloszlását az oldatban a felület közelében: a különböző töltésű ionokat a felületi töltés vonzza, és a membrán felületére hajlanak; Az azonos töltésű ionokat a felületi töltés taszítja, és messze vannak a membrán felületétől, ami miatt a membrán felszínéhez közeli oldatban lévő pozitív és negatív ionok elkülönülnek egymástól. Ugyanakkor a hőmozgás arra készteti a pozitív és negatív ionokat, hogy visszatérjenek az egyenletes keveredésbe. E két ellentétes tendencia kombinációja esetén a felesleges heteroszign ionok a töltött film felületéhez közeli közegben diffundálnak, és kettős réteget alkotnak. Ha a membrán villamosítása megegyezik az oldatéval, akkor a szennyezés adszorpciója kicsi. Éppen ellenkezőleg, az adszorpció nagyobb. A membrán felületén adszorbeált szennyeződés mennyisége a fenti két erő együttes eredményétől függ.
A membrán eltömődés adszorpciós modellje Gibbs adszorpciós egyenlettel és Fredrich adszorpciós egyenlettel fejezhető ki. Ezek közül a Gibbs-adszorpciós egyenlet az izoterm körülmények között fennálló adszorpciós összefüggésre összpontosít:
Abban az esetben, ha az adszorpciós hő a felületi borítás mértékével van összefüggésben, a Friedrich-egyenletet használjuk:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
ahol Γ a fólia szennyezés-adszorpciós képessége egységnyi területen
k, n az oldat korrelációs állandója, c pedig az oldat egyensúlyi koncentrációja
03 Membránszennyezés ellenőrzése
A membránszennyezés mechanizmusa és adszorpciós modellje szerint a membránszennyezés a következő tényezők beállításával szabályozható: membránanyagok hidrofil tulajdonságai; Membránanyagok töltési tulajdonságai; A kezelőoldat koncentrációja; A kezelőfolyadék áramlási sebessége.
Ebben a cikkben a fenti négy fajta membránszennyezés befolyásoló tényezőit vizsgáltam releváns kísérletekkel, hogy a membránszennyezést befolyásoló különböző tényezők változásait kontrollálni kívántam.
3.1 Kísérleti berendezések és anyagok
A kísérletben használt berendezés magában foglalja a saját készítésű lemezes ultraszűrőt, a saját készítésű tápfolyadék tartályt, a szuper állandó hőmérsékletű vízfürdőt, a WZJ-II adagoló keringető szivattyút, a C14 izotópmérőt, a kvarcrugós mérleget, a magasságmérőt és így tovább.
A felhasznált anyagok standard BSA-oldat, alkoholos fermentációs oldat, poliszulfon (PS), poliszulfonamid (PSA), poliakrilnitril (PAN) és acetátszálas lemezes ultraszűrő membrán, molekulatömege 30,000.
3.2 Kísérleti ciklus áramlási és szabályozási feltételei
Először is, a különböző anyagokból készült ultraszűrő membránt az ultraszűrő tartály méretének és alakjának megfelelően tömbökké alakítják, és 24 órán át tiszta vízben áztatják, és lemérik a nedves film súlyát. Ezután az azonos módszerrel készített, különböző koncentrációjú alkoholos fermentációs oldatot vagy standard BSA-oldatot öntik a tápfolyadék tartályba. A folyamatot állandó hőmérsékletű és légnyomású keringtetés követi az 1. ábrán látható eljárás szerint. Az ultraszűrő membrán adszorpciós egyensúlya után meghatározzuk a membránblokk tömegét az adszorpciós egyensúly után, hogy meghatározzuk a kísérleti membrán egyensúlyi adszorpciós mennyiségét. tömb.
A standard BSA oldat és az alkoholos fermentációs oldat membrántömegét C14 izotópos módszerrel, illetve kvarc rugómérleggel, illetve magasságmérővel határoztuk meg. A betáplált folyadék áramlási sebességét szabályozó szelep és mérőszivattyú szabályozza, mérése pedig stopperóra és mérőhenger. Az alkoholos fermentációs oldat pH-értékét PHB-4 pH-mérővel mértük, és 1 N HCl, illetve NaOH oldattal állítottuk be.
3.3 Kísérleti eredmények és megbeszélés
3.3.1 Kísérlet a membránanyagok hidrofilitásáról
Kiválasztottuk a legreprezentatívabb hidrofil membrán anyagú acetátszálas ultraszűrő membránt (CA) és a legreprezentatívabb hidrofób membrán anyagú poliszulfon ultraszűrő membránt (PS), hogy összehasonlító kísérletet végezzünk az egyensúlyi adszorpciós teszttel standard BSA oldatban, és megmérjük a membránszennyezés egyensúlyi görbéjét. C14 izotóppal a 2. ábrán látható: Mint a 2. ábrán látható, a hidrofób PS membrán adszorpciós kapacitása a BSA szennyezési egyensúlyhoz körülbelül 1.0mg/m2, ami 5-szöröse a hidrofil CA membránénak. azonos körülmények között, és a szennyezési egyensúly adszorpciós képességének eléréséhez szükséges idő 60 perc, ami hatszorosa a CA membránénak. Látható, hogy a hidrofil anyagokból készült membrán a Hamaker növekedése miatt csökkenti a H213-at, ezáltal csökkenti a membrán anyaga és az oldott anyag közötti Fan-erőt, és hatékonyan csökkenti a membrán felületének szennyezettségét. A Gibbs-egyenletből jól látható, hogy a C, T, R és , Γ paraméterek meghatározása után Γ csak θ-val változik. Minél erősebb az anyag hidrofobicitása, minél nagyobb a d (COSθ)/dC, annál komolyabb a membránszennyezés.
A kísérlet kimutatta, hogy a hidrofil membrán előnye az alacsony szennyezési egyensúlyi adszorpciós képesség. A hidrofób membrán előnye, hogy hosszú ideig eléri a szennyezés adszorpciójának egyensúlyát. Ezért valójában a jelenlegi külföldi ultraszűrő membrán általában a hidrofób alapmembránon alapuló kompozit hidrofil anyagok gyakorlatát alkalmazza, ami nemcsak csökkenti a membrán felületének szennyezését, hanem meghosszabbítja a szennyezés adszorpciós egyensúlyának eléréséig eltelt időt is. a membrán felületén, ami hatékonyan javítja az ultraszűrő membrán teljesítményét.
3.3.2 Kísérletek membránanyagok töltési tulajdonságaival kapcsolatban
Az összehasonlító kísérletekhez egy reprezentatívabb pozitív töltésű PAN filmet és egy negatív töltésű PAN filmet választottunk. A kísérleti körülmények a következők voltak: légnyomásos üzem; Hőmérséklet: 25 fok ; A fermentációs oldat koncentrációja: 0,333 g/L; pH 3,5; Áramlási sebesség: 43,7 cm/perc.
Az 1. táblázat és a 3. ábra a pozitív és negatív töltésű poliakrilnitril ultraszűrő membrán (PAN) egyensúlyi szennyeződés-adszorpciós kapacitását és adszorpciós egyensúlyi görbéjét mutatja alkoholos fermentációs oldatban. A diagramanalízisből látható, hogy a pozitív töltésű PAN ultraszűrő membrán egyensúlyi adszorpciós kapacitása jóval kisebb, mint a negatív töltésű PAN membráné savas pozitív töltésű alkoholos fermentációs oldat környezetében. Minél alacsonyabb a pH-érték, annál erősebb az oldat pozitivitása, annál nagyobb a különbség a két membrán szennyezés-egyensúlyi adszorpciós képessége között, és ha az oldat pH-értéke közel van az izoelektromos ponthoz, akkor az oldat adszorpciós képessége annál nagyobb. két membrán általában konzisztens, és a két membrán maximális adszorpciós kapacitása közötti különbség elérheti a 75%-ot is.
Látható, hogy a kettős elektromos réteg hatására a membrán és az oldat töltése közötti kapcsolat (pH-érték) igen nagy hatással lesz a membránszennyezésre. Ha a membrán töltése megegyezik az oldatéval, a befogott oldott anyag általában messze van a membrán felületétől, ami kevesebb szennyezést eredményez. Ha a membrán töltése ellentétes az oldat töltésével, a beszorult oldott anyag könnyen adszorbeálódik és lerakódik a membrán felületén, ami nagyobb szennyezést eredményez.
Ezért a vízellátásnál és a vízelvezetésnél, különösen a szennyvíztisztításnál, különös figyelmet kell fordítani a tisztítófolyadék (általában pH-ban kifejezett) feltöltésére. Ha a kezelőfolyadék savas, pozitív töltésű ultraszűrő membránt kell kiválasztani; Ha a kezelőoldat lúgos, akkor a negatív töltésű ultraszűrő membránt választjuk.
3.3.3 A kezelőoldat koncentrációja
A Γ=k×c1 / n Fredrich-egyenlet szerint négy anyag ultraszűrő membránjait választottuk ki, nevezetesen polialumból (PS), polialumamidból (PSA), poliakrilnitrilből (PAN) és acetátszálból (CA). a különböző koncentrációjú alkoholos fermentációs folyadékban képződött szennyeződés. A kísérleti körülmények a következők voltak: nyomás; Légnyomásos működés; Hőmérséklet; 25 fok; Fermentációs folyadék áramlási sebessége: 43,7 cm/perc. A kísérleti eredményeket a 2. táblázat tartalmazza.
A 2. táblázat adatainak lineáris regressziójával négyféle membránszennyezés adszorpciós képességének Fredrich-egyenletét kaptuk a következőképpen:
S membrán:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ……………………3．1
PSA membrán:Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 …………………3．2
PAN membrán:Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 …………………3．3
CA membrán:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………………3．4
A fenti egyenletből látható, hogy a szennyeződés adszorpciós mennyisége a film felületén közvetlenül összefügg a kezelőoldat koncentrációjával. Minél nagyobb a kezelőfolyadék koncentrációja, annál erősebb a membránfelület szennyeződése. Hidrofil fólia esetében a koncentrációváltozás okozta felületi szennyezés növekedése nagyobb, mint a hidrofób filmszennyezés növekedése. Ezért a vízkezelésben, különösen a szennyvíztisztító iparban, a szűrt víz visszafolyási hígítása és egyéb eszközök alkalmazása a tisztítófolyadék koncentrációjának csökkentésére jelentős hatással van a filmfelület szennyezésének szabályozására és csökkentésére.
3.3.4 A kezelőfolyadék áramlási sebessége
A kezelőfolyadék áramlási sebességének a membrán felületi szennyezettségére gyakorolt hatását CA és PS membránok különböző áramlási sebességű szennyezés-adszorpciós kísérleteivel vizsgáltam. FÜGE. A 4. és a 3. ábra. Az 5. ábra a CA és a PS ultraszűrő membránok egyensúlyi adszorpciós kapacitását mutatja az alkoholos fermentációs folyadék üreges nyomású keringtetése során, 25 fokos kísérleti körülmények között. A pH-érték 3,5. Az adatdiagramból a következő következtetések vonhatók le: mind a hidrofil, mind a hidrofób membránok egyensúlyi szennyezés-adszorpciós képessége lineárisan fordítottan arányos a szűrlet áramlási sebességével. A hidrofil membrán egyensúlyi szennyezés-adszorpciójának aránya az áramlási sebesség növekedésével csökkent, mint a hidrofób membráné.
Ennek az az oka, hogy a kezelőfolyadék áramlási sebességének növekedése nemcsak a filmfelületen a koncentráció polarizációs jelenségének csökkentését segíti elő, ezáltal csökkenti a filmfelület szennyeződését, hanem a filmfelület nyíróhatása miatti szennyeződés csökkentését is elősegíti. nagy sebességű folyadék a film felületén. Ugyanakkor az áramlási sebesség növelése növeli a kezelőoldat mikro-keverő hatását, elősegíti az oldott anyag oldódását és csökkenti a membránszennyezés előfordulását.
3.3.5 Egyéb módszerek
Emellett a membrán felületének megfelelő előkezelése és kezelése is hatékony módszer a membránfelület szennyeződésének csökkentésére. JA Howell et al. a papayáz ultraszűrő membránban történő rögzítésének módszerét alkalmazta a membrán felületén lerakódott tejsavó lebontására, ami nagymértékben csökkentette a membránszennyezést. Ezenkívül a Tween80-zal kezelt poliszulfon ultraszűrő membrán nagymértékben csökkentette a membrán felületi szennyezését a BSA oldat ultraszűrése során, ami jó kezelési eszköz a membrán felületi szennyeződésének csökkentésére.
04 Következtetés
Az ultraszűrő membrán vízellátás és elvezetés területén történő alkalmazásának fő problémája a membránszennyezés okozta fluxuscsökkenés. Az ultraszűrő membrán felületi szennyeződését okozó fő tényezők a következők: a membrán anyagok tulajdonságai, a membrán anyagok és a kezelőfolyadék közötti együttműködés, a kezelőfolyadék koncentrációja és áramlási sebessége és egyéb tényezők. A membránanyagok tulajdonságainak további javításával és a membrán és a kezelőfolyadék közötti különböző paraméterek megfelelő kezelésével ez a nehéz probléma hatékonyan megoldható, így az ultraszűrő membrán szélesebb körben alkalmazható a vízellátás és a vízelvezetés területén. A Hangzhou Jiuling Technology a jövőben több kutatási és fejlesztési módszert fog alkalmazni a membránszennyezés megoldásában, hogy javítsa a status quo-t.
