Mekanism och kontroll av ultrafiltreringsmembranföroreningar

Följande kommer kortfattat att introducera mekanismen och modellen för ultrafiltreringsmembranföroreningar.

Testresultaten visar att de huvudsakliga faktorerna som orsakar membranföroreningar inkluderar egenskaperna hos membranmaterial, interaktionen mellan membranmaterial och den behandlade vätskan, koncentrationen och flödeshastigheten för den behandlade vätskan, etc.

Problemet med membrannedsmutsning kan lösas effektivt genom att förbättra egenskaperna hos membranmaterial och rimligt hantera parametermatchningen mellan membranet och den behandlade vätskan.

 

01 Tillämpning av membranteknik inom vattenförsörjnings- och avloppsindustrin

 

På grund av den breda tillämpningen av ultrafiltreringsmembran inom området för vattenförsörjning och dränering ökar filtreringsmotståndet som orsakas av membranföroreningar under driften av systemet, särskilt inom området för avloppsvattenbehandling, och den allvarliga dämpningen av membranfiltrering flux är nyckeln till att hindra tillämpningen och marknadsföringen av denna teknik. Detta dokument syftar till att förbättra förståelsen för effektiv tillämpning av membranteknologi inom vattenförsörjning och dränering genom att sammanfatta föroreningskontrollfaktorerna för ultrafiltreringsmembranföroreningsexperiment.

 

02 Mekanism och modell för ultrafiltreringsmembranföroreningar

 

2.1 Mekanism och modell för föroreningar

Teoretiskt sett är adsorptionsprocessen för lösningen på membranets yta komplicerad eftersom det alltid finns en konkurrerande adsorption mellan det lösta ämnet och lösningsmedlet eller mellan komponenterna i adsorbentblandningen (membranet) i adsorptionsprocessen, så adsorptionsisotermen av Lösningen måste beräknas genom att mäta den skenbara isotermiska adsorptionslinjen och lägga till lämpliga ångadsorptionsdata. Men i själva verket, från en kvalitativ synvinkel, kan det anses att adsorptionen av membranet till det lösta ämnet är nära relaterat till polariteten mellan de två, och membranet av polära material tenderar att starkt adsorbera polära ämnen, och adsorptionen av opolära ämnen är mycket svagare. Tvärtom är det mer sannolikt att filmen av opolära material adsorberar opolära lösta ämnen.

Å andra sidan, enligt principen om liknande löslighet, löser sig polära lösta ämnen lätt i polära lösningsmedel, medan opolära lösta ämnen löser sig lätt i opolära lösningsmedel. Ju lättare det är att lösa upp, desto mindre sannolikt är det att det adsorberas av membranytan. Sammanfattningsvis, om det lösta ämnets polaritet är närmare lösningsmedlet och motsatt membranet, är adsorptionen av det lösta ämnet på membranytan mindre. Ur mikroskopisk synvinkel är svårigheten med adsorption på membranytan och stabiliteten hos adsorptionsskiktet relaterade till interaktionskraften mellan det makromolekylära lösta ämnet, membranytan och det makromolekylära lösta ämnet. Kraften mellan dem är generellt uppdelad i van der Waals-kraft och dubbelskiktskraft.

 

2.1.1 Van der Waals styrkor

Storleken på Van Gogh-kraften mellan två kroppar kan karakteriseras av Hamaker-proportionalitetskonstanten H. För det ternära systemet vatten (1), löst ämne (2) och membran (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] i formel 2, H11, H22 och H33 är Hamaker-konstanter för vatten, löst ämne respektive membran. Det hydrofoba membranet, H33 minskade; För hydrofobt löst ämne minskade H22. Båda kan leda till ökningen av H213, öka fläktkraften mellan membranet och det lösta ämnet och förvärra föroreningen av membranytan. Därför gör både hydrofoba membran och lösta ämnen membranytan mer mottaglig för kontaminering.

 

2.1.2 Kraft av dubbelt elektriskt lager

När membranet är i kontakt med lösningen kommer membranets yta att laddas på grund av jonadsorption, dipolorientering, vätebindning och andra effekter, och ytladdningen kan påverka jonfördelningen i lösningen nära ytan: joner med olika laddningar attraheras av ytladdningen och tenderar mot membranets yta; Jonerna med samma laddning stöts bort av ytladdningen och är långt borta från membranets yta, vilket gör att de positiva och negativa jonerna i lösningen nära membranets yta separeras från varandra. Samtidigt gör den termiska rörelsen att de positiva och negativa jonerna har en tendens att återgå till jämn blandning. Under kombinationen av dessa två motsatta trender sprids överskottet av heterosignjoner i mediet nära ytan av den laddade filmen för att bilda ett dubbelskikt. När elektrifieringen av membranet är densamma som lösningens, är föroreningsadsorptionen liten. Tvärtom är adsorptionen större. Mängden föroreningar som adsorberas på membranytan beror på det kombinerade resultatet av ovanstående två krafter.

 

Adsorptionsmodellen för membrannedsmutsning kan uttryckas av Gibbs adsorptionsekvation och Fredrichs adsorptionsekvation. Bland dem fokuserar Gibbs adsorptionsekvation på adsorptionsförhållandet under isotermiska förhållanden:

I det fall att adsorptionsvärmen är relaterad till graden av yttäckning, används Friedrich-ekvationen:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Där Γ är filmens föroreningsadsorptionskapacitet per ytenhet

k, n är korrelationskonstanten och c är lösningens jämviktskoncentration

 

03 Kontroll av membranföroreningar

Enligt mekanismen och adsorptionsmodellen för membranföroreningar kan membranföroreningar kontrolleras genom att justera följande faktorer: hydrofila egenskaper hos membranmaterial; Laddningsegenskaper hos membranmaterial; Koncentrationen av behandlingslösningen; Flödeshastigheten för behandlingsvätskan.

I denna artikel studerades inverkansfaktorerna för ovanstående fyra typer av membranföroreningar genom relevanta experiment, för att söka kontroll av förändringar av olika faktorer på membranföroreningar.

 

3.1 Experimentell utrustning och material

Utrustningen som används i detta experiment inkluderar självtillverkat platt-ultrafilter, egentillverkad matarvätsketank, vattenbad med superkonstant temperatur, WZJ-II-mätcirkulationspump, C14 isotopmätare, kvartsfjäderskala, höjdmätare och så vidare.

Materialen som används är standard BSA-lösning, beredd alkoholfermenteringslösning, polysulfon (PS), polysulfonamid (PSA), polyakrylnitril (PAN) och ultrafiltreringsmembran av acetatfiberplattor med en molekylvikt på 30,000.

 

3.2 Experimentell cykelflöde och kontrollförhållanden

För det första görs ultrafiltreringsmembranet av olika material till block enligt storleken och formen på ultrafiltreringstanken och blötläggs i rent vatten i 24 timmar, och vikten av den våta filmen vägs. Därefter hälls alkoholjäsningslösning eller standard BSA-lösning med olika koncentrationer framställda med samma metod i matarvätsketanken. Processen följs av konstant temperatur och lufttryckcirkulation enligt processen som visas i figur 1. Efter adsorptionsjämvikten för ultrafiltreringsmembranet bestäms vikten av membranblocket efter adsorptionsjämvikten för att bestämma jämviktsadsorptionsmängden för experimentmembranet blockera.

Membranvikten för standard BSA-lösning och alkoholjäsningslösning bestämdes med C14-isotopmetoden och kvartsfjäderbalans respektive höjdmätare. Flödeshastigheten för matarvätskan styrs av reglerventil och mätpump och mäts med stoppur och mätcylinder. pH-värdet för alkoholjäsningslösningen mättes med PHB-4 pH-mätare och justerades med 1 N HCl- respektive NaOH-lösningar.

 

3.3 Experimentella resultat och diskussion

3.3.1 Experiment med hydrofilicitet hos membranmaterial

Vi valde det mest representativa hydrofila membranmaterialet acetatfiber ultrafiltreringsmembran (CA) och det mest representativa hydrofoba membranmaterialet polysulfon ultrafiltreringsmembran (PS) för att utföra ett jämförande experiment med jämviktsadsorptionstest i standard BSA-lösning, och jämviktskurvan för membranföroreningar uppmätt av C14 isotop visades i figur 2: Såsom kan ses från figur 2, är adsorptionskapaciteten för hydrofobt PS-membran för BSA-föroreningsjämvikt cirka 1,0mg/m2, vilket är 5 gånger den för hydrofilt CA-membran under samma förhållanden, och tiden för att nå adsorptionskapaciteten för föroreningar jämvikten är 60 minuter, vilket är 6 gånger det för CA-membranet. Det kan ses att membranet tillverkat av hydrofila material minskar H213 på grund av ökningen av dess Hamaker, vilket minskar fläktkraften mellan membranmaterialet och det lösta ämnet och effektivt minskar föroreningsnivån på membranytan. Det kan tydligt ses från Gibbs ekvation att efter bestämningen av parametrarna C, T, R och , ändras Γ endast med θ. Ju starkare materialets hydrofobicitet, desto större d (COSθ)/dC, desto allvarligare är membranföroreningen.
 

Experimentet visade att det hydrofila membranet hade fördelen av låg föroreningsjämviktsadsorptionskapacitet. Det hydrofoba membranet har fördelen av lång tid för att nå jämvikten för föroreningsadsorption. Därför antar faktiskt det nuvarande utländska ultrafiltreringsmembranet i allmänhet praxis med sammansatta hydrofila material på basis av hydrofobt basmembran, vilket inte bara minskar föroreningen av membranytan, utan också förlänger tiden för att nå adsorptionsbalansen för föroreningen av membranytan, vilket effektivt förbättrar ultrafiltreringsmembranets prestanda.

 

3.3.2 Experiment på laddningsegenskaper hos membranmaterial

Vi valde en mer representativ positivt laddad PAN-film och en negativt laddad PAN-film för att göra jämförande experiment. De experimentella förhållandena var: lufttrycksdrift; Temperatur: 25 grader; Koncentration av jäsningslösning: 0,333 g/L; pH är 3,5; Flödeshastighet: 43,7 cm/min.

Tabell 1 och figur 3 visar jämviktsföroreningsadsorptionskapaciteten och adsorptionsjämviktskurvan för positivt laddat respektive negativt laddat polyakrylnitril ultrafiltreringsmembran (PAN) i alkoholfermenteringslösning. Det kan ses från diagramanalysen att jämviktsadsorptionskapaciteten för positivt laddat PAN-ultrafiltreringsmembran är mycket lägre än negativt laddat PAN-membran i miljön med sur positivt laddad alkoholjäsningslösning. Ju lägre pH-värdet är, desto starkare är lösningens positivitet, desto större är skillnaden mellan föroreningsjämviktsadsorptionskapaciteten för de två membranen, och när lösningens pH-värde är nära den isoelektriska punkten, är adsorptionskapaciteten hos två membran tenderar att vara konsekventa och skillnaden mellan den maximala adsorptionskapaciteten för de två membranen kan nå mer än 75 %.

Det kan ses att på grund av effekten av dubbelt elektriskt skikt kommer förhållandet mellan membran och lösningsladdning (pH-värde) att ha en mycket stor inverkan på membranföroreningar. När laddningen av membranet är densamma som lösningen, är det fångade lösta ämnet i allmänhet långt borta från membranytan, vilket resulterar i mindre föroreningar. När laddningen av membranet är motsatt laddningen av lösningen, adsorberas det fångade lösta ämnet lätt och avsätts på membranets yta, vilket resulterar i större föroreningar.

Därför, vid vattenförsörjning och avloppsbehandling, särskilt i avloppsvattenbehandlingsprocessen, bör särskild uppmärksamhet ägnas åt laddningen av behandlingsvätskan (vanligtvis uttryckt i pH). När behandlingsvätskan är sur, väljs positivt laddat ultrafiltreringsmembran; När behandlingslösningen är alkalisk väljs det negativt laddade ultrafiltreringsmembranet.

 

3.3.3 Koncentration av behandlingslösning

Enligt Fredrichs ekvation Γ=k×c1/n valdes ultrafiltreringsmembran av fyra material, nämligen polyalum (PS), polyalumamid (PSA), polyakrylnitril (PAN) och acetatfiber (CA), för att bestämma den förorening som bildas i alkoholjäsningsvätska av olika koncentrationer. De experimentella förhållandena var följande: tryck; Lufttrycksdrift; Temperatur; 25 grader; Jäsningsvätskeflödeshastighet: 43,7 cm/min. De experimentella resultaten visas i tabell 2.

Genom linjär regression av data i Tabell 2 erhölls Fredrichs ekvation av adsorptionskapaciteten för fyra typer av membranföroreningar enligt följande:

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

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

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

CA-membran:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Det kan ses från ovanstående ekvation att adsorptionsmängden av föroreningar på filmytan är direkt relaterad till koncentrationen av behandlingslösningen. Ju högre koncentration av behandlingsvätskan är, desto starkare är föroreningen av membranytan. För hydrofil film är ökningen av ytföroreningar orsakad av koncentrationsändringen större än ökningen av hydrofob filmförorening. Därför, inom vattenrening, särskilt inom avloppsreningsindustrin, har användningen av filtrerat vattenåterflödesutspädning och andra medel för att minska koncentrationen av behandlingsvätska en betydande effekt på att kontrollera och minska föroreningen av filmytan.

 

3.3.4 Flödeshastighet för behandlingsvätska

Inverkan av behandlingsvätskans flödeshastighet på ytföroreningen av membranet analyserades genom föroreningsadsorptionsexperiment av CA- och PS-membran vid olika flödeshastigheter. FIKON. 4 och FIG. 5 visade jämviktsadsorptionskapaciteten för CA- och PS-ultrafiltreringsmembran under ihålig tryckcirkulation av alkoholjäsningsvätska, respektive under de experimentella förhållandena på 25 grader. pH-värdet är 3,5. Följande slutsatser kan dras från datadiagrammet: jämviktsföroreningsadsorptionskapaciteten hos både hydrofila och hydrofoba membran är linjärt omvänt proportionell mot filtratets flödeshastighet. Andelen jämviktsföroreningars adsorption av hydrofilt membran minskade med ökningen av flödeshastigheten var större än för hydrofobt membran.

Detta beror på att ökningen av flödeshastigheten för behandlingsvätskan inte bara bidrar till att minska koncentrationens polarisationsfenomen på filmytan, vilket minskar filmytans föroreningar, utan också bidrar till att minska filmytans föroreningar på grund av skjuveffekten av höghastighetsvätska på filmytan. Samtidigt kommer ökningen av flödeshastigheten också att öka mikroomrörningseffekten av behandlingslösningen, främja upplösningen av det lösta ämnet och minska förekomsten av membranföroreningar.

 

3.3.5 Andra metoder

Dessutom är korrekt förbehandling av membranytan och behandling också en effektiv metod för att kontrollera föroreningen av membranytan. JA Howell et al. använde metoden att fixera papayas i ultrafiltreringsmembranet för att sönderdela vasslan som avsatts på membranets yta, vilket kraftigt minskade membranföroreningarna. Dessutom reducerade polysulfon-ultrafiltreringsmembranet behandlat med Tween80 kraftigt föroreningen av membranytan under ultrafiltreringen av BSA-lösning, vilket är ett bra behandlingsmedel för att minska membranytans föroreningar.

 

04 Slutsats

Huvudproblemet med tillämpningen av ultrafiltreringsmembran inom området för vattenförsörjning och dränering är flödesminskningen som orsakas av membranföroreningar. De viktigaste faktorerna som orsakar ytförorening av ultrafiltreringsmembran inkluderar: egenskaperna hos membranmaterial, samarbetet mellan membranmaterial och behandlingsvätska, koncentrationen och flödeshastigheten för behandlingsvätskan och andra faktorer. Genom att ytterligare förbättra egenskaperna hos membranmaterial och rimligt hantera de olika parametermatchningarna mellan membran och behandlingsvätska kan detta svåra problem effektivt lösas, så att ultrafiltreringsmembran kan användas mer allmänt inom området för vattenförsörjning och dränering. Hangzhou Jiuling Technology kommer också att göra mer forskning och utvecklingsmetoder i lösningen av membranföroreningar i framtiden för att förbättra status quo.