Mekanisme Dan Kawalan Pencemaran Membran Ultrafiltrasi

Berikut akan memperkenalkan secara ringkas mekanisme dan model pencemaran membran ultrafiltrasi.

Keputusan ujian menunjukkan bahawa faktor utama yang menyebabkan pencemaran membran termasuk sifat bahan membran, interaksi antara bahan membran dan cecair yang dirawat, kepekatan dan kadar aliran cecair yang dirawat, dsb.

Masalah kekotoran membran boleh diselesaikan dengan berkesan dengan menambah baik sifat bahan membran dan mengendalikan padanan parameter antara membran dan cecair yang dirawat secara munasabah.

 

01 Aplikasi teknologi membran dalam industri bekalan air dan saliran

 

Oleh kerana penggunaan membran ultrafiltrasi yang meluas dalam bidang bekalan air dan saliran, rintangan penapisan yang disebabkan oleh pencemaran membran semasa operasi sistem, terutamanya dalam bidang rawatan air sisa, sentiasa meningkat, dan pengecilan serius penapisan membran. fluks adalah kunci untuk menghalang aplikasi dan promosi teknologi ini. Kertas kerja ini bertujuan untuk meningkatkan pemahaman aplikasi berkesan teknologi membran dalam bidang bekalan air dan saliran dengan merumuskan faktor kawalan pencemaran eksperimen pencemaran membran ultraturasan.

 

02 Mekanisme dan model pencemaran membran ultrafiltrasi

 

2.1 Mekanisme dan model pencemaran

Secara teorinya, proses penjerapan larutan pada permukaan membran adalah rumit kerana sentiasa terdapat penjerapan kompetitif antara zat terlarut dan pelarut atau antara komponen campuran penjerap (membran) dalam proses penjerapan, jadi isoterma penjerapan bagi penyelesaian mesti dikira dengan mengukur garis penjerapan isoterma ketara dan menambah data penjerapan wap yang sesuai. Walau bagaimanapun, sebenarnya, dari sudut pandangan kualitatif, boleh dianggap bahawa penjerapan membran kepada zat terlarut berkait rapat dengan kekutuban antara kedua-duanya, dan membran bahan kutub cenderung untuk menyerap bahan kutub dengan kuat, dan penjerapan bahan bukan kutub jauh lebih lemah. Sebaliknya, filem bahan bukan kutub lebih cenderung untuk menjerap zat terlarut bukan kutub.

Sebaliknya, mengikut prinsip keterlarutan yang serupa, zat terlarut kutub mudah larut dalam pelarut kutub, manakala zat terlarut bukan kutub mudah larut dalam pelarut bukan kutub. Lebih mudah ia larut, semakin kecil kemungkinan ia akan diserap oleh permukaan membran. Secara ringkasnya, jika kekutuban zat terlarut lebih dekat dengan pelarut dan bertentangan dengan membran, penjerapan zat terlarut pada permukaan membran adalah kurang. Dari sudut mikroskopik, kesukaran penjerapan pada permukaan membran dan kestabilan lapisan penjerapan adalah berkaitan dengan daya interaksi antara zat terlarut makromolekul, permukaan membran dan zat terlarut makromolekul. Daya antara mereka secara amnya dibahagikan kepada daya van der Waals dan daya lapisan dua.

 

2.1.1 Daya Van der Waals

Saiz daya Van Gogh antara dua jasad boleh dicirikan oleh pemalar kekadaran Hamaker H. Untuk sistem terner air (1), zat terlarut (2) dan membran (3) : H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] dalam formula 2, H11, H22 dan H33 masing-masing ialah pemalar Hamaker bagi air, zat terlarut dan membran. Membran hidrofobik, H33 menurun; Untuk larutan hidrofobik, H22 menurun. Kedua-duanya boleh menyebabkan peningkatan H213, meningkatkan daya Kipas antara membran dan bahan terlarut, dan memburukkan lagi pencemaran permukaan membran. Oleh itu, kedua-dua membran hidrofobik dan bahan terlarut menjadikan permukaan membran lebih mudah terdedah kepada pencemaran.

 

2.1.2 Daya lapisan elektrik berganda

Apabila membran bersentuhan dengan larutan, permukaan membran akan dicas disebabkan oleh penjerapan ionik, orientasi dipol, ikatan hidrogen dan kesan lain, dan cas permukaan boleh menjejaskan pengedaran ion dalam larutan berhampiran permukaan: ion dengan cas yang berbeza tertarik oleh cas permukaan dan cenderung ke permukaan membran; Ion dengan cas yang sama ditolak oleh cas permukaan dan jauh dari permukaan membran, yang menjadikan ion positif dan negatif dalam larutan berhampiran permukaan membran terpisah antara satu sama lain. Pada masa yang sama, gerakan haba menjadikan ion positif dan negatif mempunyai kecenderungan untuk kembali kepada pencampuran seragam. Di bawah gabungan kedua-dua arah aliran bertentangan ini, ion-ion heterosign berlebihan disebarkan dalam medium berhampiran permukaan filem bercas untuk membentuk lapisan berganda. Apabila elektrifikasi membran adalah sama dengan larutan, penjerapan pencemaran adalah kecil. Sebaliknya, penjerapan lebih besar. Jumlah pencemaran yang terjerap pada permukaan membran bergantung kepada hasil gabungan kedua-dua daya di atas.

 

Model penjerapan fouling membran boleh dinyatakan dengan persamaan penjerapan Gibbs dan persamaan penjerapan Fredrich. Antaranya, persamaan penjerapan Gibbs memberi tumpuan kepada hubungan penjerapan di bawah keadaan seisoterma:

Dalam kes haba penjerapan berkaitan dengan tahap liputan permukaan, persamaan Friedrich digunakan:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Di mana, Γ ialah kapasiti penjerapan pencemaran filem per unit luas

k, n ialah pemalar korelasi dan c ialah kepekatan keseimbangan larutan

 

03 Kawalan pencemaran membran

Menurut mekanisme dan model penjerapan pencemaran membran, pencemaran membran boleh dikawal dengan melaraskan faktor berikut: sifat hidrofilik bahan membran; Ciri-ciri pengecasan bahan membran; Kepekatan penyelesaian rawatan; Kadar aliran cecair rawatan.

Dalam makalah ini, faktor pengaruh empat jenis pencemaran membran di atas telah dikaji melalui eksperimen yang berkaitan, untuk mendapatkan kawalan terhadap perubahan pelbagai faktor pada pencemaran membran.

 

3.1 Peralatan dan bahan eksperimen

Peralatan yang digunakan dalam eksperimen ini termasuk ultrafilter plat buatan sendiri, tangki cecair suapan buatan sendiri, mandi air suhu super malar, pam edaran pemeteran WZJ-II, meter isotop C14, skala spring kuarza, meter ketinggian dan sebagainya.

Bahan yang digunakan ialah larutan BSA standard, larutan penapaian alkohol yang disediakan, polysulfone (PS), polysulfone amide (PSA), polyacrylonitrile (PAN) dan membran ultraturasan plat gentian asetat dengan berat molekul 30,000.

 

3.2 Keadaan aliran dan kawalan kitaran eksperimen

Pertama, membran ultrafiltrasi pelbagai bahan dibuat menjadi blok mengikut saiz dan bentuk tangki ultrafiltrasi, dan direndam dalam air tulen selama 24 jam, dan berat filem basah ditimbang. Kemudian, larutan penapaian alkohol atau larutan BSA piawai dengan kepekatan berbeza yang disediakan dengan kaedah yang sama masing-masing dituangkan ke dalam tangki cecair suapan. Proses ini diikuti oleh suhu malar dan peredaran tekanan udara mengikut proses yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Selepas keseimbangan penjerapan membran ultraturasan, berat blok membran selepas keseimbangan penjerapan ditentukan untuk menentukan jumlah penjerapan keseimbangan membran eksperimen. blok.

Berat membran larutan BSA piawai dan larutan penapaian alkohol masing-masing ditentukan oleh kaedah isotop C14 dan neraca spring kuarza dan meter ketinggian. Kadar aliran cecair suapan dikawal dengan mengawal injap dan pam penyukat, dan diukur dengan jam randik dan silinder penyukat. Nilai pH larutan penapaian alkohol diukur oleh meter pH-4 PHB dan masing-masing dilaraskan dengan larutan HCl 1 N dan NaOH.

 

3.3 Keputusan eksperimen dan perbincangan

3.3.1 Mengeksperimen tentang hidrofilik bahan membran

Kami memilih membran ultrafiltrasi gentian asetat (CA) bahan membran hidrofilik yang paling mewakili dan membran ultraturasan polysulfone (PS) bahan membran hidrofobik yang paling mewakili untuk menjalankan eksperimen perbandingan ujian penjerapan keseimbangan dalam larutan BSA standard, dan lengkung keseimbangan pencemaran membran diukur oleh isotop C14 ditunjukkan dalam Rajah 2: Seperti yang dapat dilihat daripada Rajah 2, kapasiti penjerapan membran PS hidrofobik untuk keseimbangan pencemaran BSA ialah kira-kira 1.0mg/m2, iaitu 5 kali ganda daripada membran CA hidrofilik di bawah keadaan yang sama, dan masa untuk mencapai kapasiti penjerapan keseimbangan pencemaran ialah 60 minit, iaitu 6 kali ganda membran CA. Ia boleh dilihat bahawa membran yang diperbuat daripada bahan hidrofilik mengurangkan H213 disebabkan oleh peningkatan Hamakernya, dengan itu mengurangkan daya Kipas antara bahan membran dan bahan terlarut, dan mengurangkan tahap pencemaran permukaan membran dengan berkesan. Dapat dilihat dengan jelas daripada persamaan Gibbs bahawa selepas penentuan parameter C, T, R dan , Γ hanya berubah dengan θ. Semakin kuat hidrofobisiti bahan, semakin besar d ( COSθ)/dC, semakin serius pencemaran membran.
 

Eksperimen menunjukkan bahawa membran hidrofilik mempunyai kelebihan kapasiti penjerapan keseimbangan pencemaran yang rendah. Membran hidrofobik mempunyai kelebihan masa yang lama untuk mencapai keseimbangan penjerapan pencemaran. Oleh itu, sebenarnya, membran ultrafiltrasi asing semasa secara amnya mengamalkan amalan bahan hidrofilik komposit berdasarkan membran asas hidrofobik, yang bukan sahaja mengurangkan pencemaran permukaan membran, tetapi juga memanjangkan masa untuk mencapai keseimbangan penjerapan pencemaran. permukaan membran, yang secara berkesan meningkatkan prestasi membran ultraturasan.

 

3.3.2 Eksperimen tentang sifat mengecas bahan membran

Kami memilih filem PAN bercas positif yang lebih mewakili dan filem PAN bercas negatif untuk melakukan eksperimen perbandingan. Keadaan eksperimen adalah: operasi tekanan udara; Suhu: 25 darjah ; Kepekatan larutan penapaian: 0.333 g/L; pH ialah 3.5; Kadar aliran: 43.7cm/min.

Jadual 1 dan Rajah 3 menunjukkan kapasiti penjerapan pencemaran keseimbangan dan keluk keseimbangan penjerapan bagi membran ultraturasan poliakrilonitril (PAN) bercas positif dan bercas negatif masing-masing dalam larutan penapaian alkohol. Ia dapat dilihat daripada analisis rajah bahawa kapasiti penjerapan keseimbangan membran ultraturasan PAN bercas positif adalah jauh lebih rendah daripada membran PAN bercas negatif dalam persekitaran larutan penapaian alkohol bercas positif berasid. Semakin rendah nilai pH, semakin kuat kepositifan larutan, semakin besar perbezaan antara kapasiti penjerapan keseimbangan pencemaran kedua-dua membran, dan apabila nilai pH larutan hampir dengan titik isoelektrik, kapasiti penjerapan bagi dua membran cenderung untuk konsisten dan perbezaan antara kapasiti penjerapan maksimum kedua-dua membran boleh mencapai lebih daripada 75%.

Dapat dilihat bahawa disebabkan oleh kesan lapisan elektrik berganda, hubungan antara membran dan cas larutan (nilai pH) akan memberi kesan yang sangat besar terhadap pencemaran membran. Apabila cas membran adalah sama dengan larutan, zat terperangkap biasanya jauh dari permukaan membran, mengakibatkan pencemaran yang kurang. Apabila cas membran bertentangan dengan cas larutan, zat terperangkap mudah terserap dan termendap pada permukaan membran, mengakibatkan pencemaran yang lebih besar.

Oleh itu, dalam rawatan bekalan air dan saliran, terutamanya dalam proses rawatan air sisa, perhatian khusus harus diberikan kepada pengecasan cecair rawatan (biasanya dinyatakan dalam pH). Apabila cecair rawatan berasid, membran ultraturasan bercas positif dipilih; Apabila penyelesaian rawatan adalah beralkali, membran ultraturasan bercas negatif dipilih.

 

3.3.3 Kepekatan larutan rawatan

Menurut persamaan Fredrich Γ=k×c1 / n, membran ultraturasan empat bahan, iaitu polialum (PS), polialum amida (PSA), poliakrilonitril (PAN) dan gentian asetat (CA), telah dipilih untuk menentukan pencemaran yang terbentuk dalam cecair penapaian alkohol dengan kepekatan yang berbeza. Keadaan eksperimen adalah seperti berikut: tekanan; Operasi tekanan udara; Suhu; 25 darjah; Kadar aliran cecair penapaian: 43.7cm/min. Keputusan eksperimen ditunjukkan dalam Jadual 2.

Melalui regresi linear data dalam Jadual 2, persamaan Fredrich bagi kapasiti penjerapan empat jenis pencemaran membran diperoleh seperti berikut:

S membran:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1

Membran PSA:Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………3．2

Membran PAN:Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………3．3

Membran CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahawa jumlah penjerapan pencemaran pada permukaan filem adalah berkaitan secara langsung dengan kepekatan larutan rawatan. Semakin tinggi kepekatan cecair rawatan, semakin kuat pencemaran permukaan membran. Bagi filem hidrofilik, peningkatan pencemaran permukaan yang disebabkan oleh perubahan kepekatan adalah lebih besar daripada peningkatan pencemaran filem hidrofobik. Oleh itu, dalam rawatan air, terutamanya dalam industri rawatan kumbahan, penggunaan pencairan aliran balik air yang ditapis dan cara lain untuk mengurangkan kepekatan cecair rawatan mempunyai kesan yang ketara dalam mengawal dan mengurangkan pencemaran permukaan filem.

 

3.3.4 Kadar aliran cecair rawatan

Pengaruh kadar aliran cecair rawatan ke atas pencemaran permukaan membran dianalisis melalui eksperimen penjerapan pencemaran membran CA dan PS pada kadar aliran yang berbeza. Gbr. 4 dan Gbr. 5 menunjukkan kapasiti penjerapan keseimbangan CA dan membran ultraturasan PS semasa peredaran tekanan berongga cecair penapaian alkohol, masing-masing, di bawah keadaan eksperimen 25 darjah . Nilai pH ialah 3.5. Kesimpulan berikut boleh dibuat daripada rajah data: kapasiti penjerapan pencemaran keseimbangan kedua-dua membran hidrofilik dan hidrofobik adalah berkadar songsang secara linear dengan kadar aliran turasan. Bahagian pencemaran keseimbangan penjerapan membran hidrofilik menurun dengan peningkatan halaju aliran adalah lebih besar daripada membran hidrofobik.

Ini kerana peningkatan dalam kadar aliran cecair rawatan bukan sahaja kondusif untuk mengurangkan fenomena polarisasi kepekatan pada permukaan filem, sekali gus mengurangkan pencemaran permukaan filem, tetapi juga kondusif untuk mengurangkan pencemaran permukaan filem akibat kesan ricih cecair berkelajuan tinggi pada permukaan filem. Pada masa yang sama, peningkatan kadar aliran juga akan meningkatkan kesan kacau mikro penyelesaian rawatan, menggalakkan pembubaran bahan terlarut dan mengurangkan berlakunya pencemaran membran.

 

3.3.5 Kaedah Lain

Di samping itu, prarawatan permukaan membran dan rawatan yang betul juga merupakan kaedah yang berkesan untuk mengawal pencemaran permukaan membran. JA Howell et al. menggunakan kaedah penetapan betik dalam membran ultrafiltrasi untuk mengurai whey yang didepositkan pada permukaan membran, yang mengurangkan pencemaran membran dengan banyak. Di samping itu, membran ultraturasan polysulfone yang dirawat dengan Tween80 sangat mengurangkan pencemaran permukaan membran semasa ultrafiltrasi larutan BSA, yang merupakan kaedah rawatan yang baik untuk mengurangkan pencemaran permukaan membran.

 

04 Kesimpulan

Masalah utama penggunaan membran ultrafiltrasi dalam bidang bekalan air dan saliran adalah penurunan fluks yang disebabkan oleh pencemaran membran. Faktor utama yang menyebabkan pencemaran permukaan membran ultrafiltrasi termasuk: sifat bahan membran, kerjasama antara bahan membran dan cecair rawatan, kepekatan dan kadar aliran cecair rawatan dan faktor lain. Dengan meningkatkan lagi sifat-sifat bahan membran dan mengendalikan secara munasabah pelbagai padanan parameter antara membran dan cecair rawatan, masalah sukar ini dapat diselesaikan dengan berkesan, supaya membran ultrafiltrasi boleh digunakan dengan lebih meluas dalam bidang bekalan air dan saliran. Teknologi Hangzhou Jiuling juga akan membuat lebih banyak kaedah penyelidikan dan pembangunan dalam penyelesaian pencemaran membran pada masa hadapan untuk memperbaiki status quo.