Mechanismus und Kontrolle der Verschmutzung durch Ultrafiltrationsmembranen
Im Folgenden werden kurz der Mechanismus und das Modell der Verschmutzung durch Ultrafiltrationsmembranen vorgestellt.
Die Testergebnisse zeigen, dass zu den Hauptfaktoren, die eine Membranverschmutzung verursachen, die Eigenschaften der Membranmaterialien, die Wechselwirkung zwischen Membranmaterialien und der behandelten Flüssigkeit, die Konzentration und Durchflussrate der behandelten Flüssigkeit usw. gehören.
Das Problem der Membranverschmutzung kann wirksam gelöst werden, indem die Eigenschaften der Membranmaterialien verbessert und die Parameteranpassung zwischen der Membran und der behandelten Flüssigkeit sinnvoll gehandhabt wird.
01 Anwendung der Membrantechnologie in der Wasserversorgungs- und Entwässerungsindustrie
Aufgrund der breiten Anwendung von Ultrafiltrationsmembranen im Bereich der Wasserversorgung und -entsorgung nimmt der Filtrationswiderstand, der durch Membranverschmutzung während des Betriebs des Systems, insbesondere im Bereich der Abwasserbehandlung, verursacht wird, ständig zu und die Membranfiltration nimmt erheblich ab Flussmittel ist der Schlüssel zur Behinderung der Anwendung und Förderung dieser Technologie. Ziel dieses Artikels ist es, das Verständnis für die effektive Anwendung der Membrantechnologie im Bereich der Wasserversorgung und -entsorgung zu verbessern, indem die Schadstoffkontrollfaktoren des Experiments zur Verschmutzung durch Ultrafiltrationsmembranen zusammengefasst werden.
02 Mechanismus und Modell der Verschmutzung durch Ultrafiltrationsmembranen
2.1 Mechanismus und Modell der Verschmutzung
Theoretisch ist der Adsorptionsprozess der Lösung auf der Oberfläche der Membran kompliziert, da im Adsorptionsprozess immer eine konkurrierende Adsorption zwischen dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittel oder zwischen den Komponenten der Adsorptionsmittelmischung (Membran) stattfindet, also die Adsorptionsisotherme von Die Lösung muss berechnet werden, indem die scheinbare isotherme Adsorptionslinie gemessen und entsprechende Dampfadsorptionsdaten hinzugefügt werden. Tatsächlich kann jedoch aus qualitativer Sicht davon ausgegangen werden, dass die Adsorption der Membran an den gelösten Stoff eng mit der Polarität zwischen beiden zusammenhängt und die Membran aus polaren Materialien dazu neigt, polare Substanzen stark zu adsorbieren Die Adsorption unpolarer Substanzen ist deutlich schwächer. Im Gegenteil ist es wahrscheinlicher, dass der Film aus unpolaren Materialien unpolare gelöste Stoffe adsorbiert.
Andererseits lösen sich polare gelöste Stoffe nach dem Prinzip der ähnlichen Löslichkeit leicht in polaren Lösungsmitteln, während sich unpolare gelöste Stoffe leicht in unpolaren Lösungsmitteln lösen. Je leichter es sich auflöst, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es von der Membranoberfläche adsorbiert wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Adsorption des gelösten Stoffes auf der Membranoberfläche geringer ist, wenn die Polarität des gelösten Stoffes näher am Lösungsmittel und entgegengesetzt zur Membran liegt. Aus mikroskopischer Sicht hängen die Schwierigkeit der Adsorption auf der Membranoberfläche und die Stabilität der Adsorptionsschicht mit der Wechselwirkungskraft zwischen dem makromolekularen gelösten Stoff, der Membranoberfläche und dem makromolekularen gelösten Stoff zusammen. Die Kraft zwischen ihnen wird im Allgemeinen in Van-der-Waals-Kraft und Doppelschichtkraft unterteilt.
2.1.1 Van-der-Waals-Kräfte
Die Größe der Van-Gogh-Kraft zwischen zwei Körpern kann durch die Hamaker-Proportionalitätskonstante H charakterisiert werden. Für das ternäre System aus Wasser (1), gelöstem Stoff (2) und Membran (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] in Formel 2 sind H11, H22 und H33 die Hamaker-Konstanten von Wasser, gelöstem Stoff bzw. Membran. Die hydrophobe Membran H33 nahm ab; Bei hydrophoben gelösten Stoffen nahm H22 ab. Beides kann zu einem Anstieg von H213 führen, die Fan-Kraft zwischen der Membran und dem gelösten Stoff erhöhen und die Verschmutzung der Membranoberfläche verschlimmern. Daher machen sowohl hydrophobe Membranen als auch gelöste Stoffe die Membranoberfläche anfälliger für Kontaminationen.
2.1.2 Kraft der doppelten elektrischen Schicht
Wenn die Membran mit der Lösung in Kontakt kommt, wird die Oberfläche der Membran aufgrund der Ionenadsorption, der Dipolorientierung, der Wasserstoffbindung und anderer Effekte aufgeladen, und die Oberflächenladung kann die Ionenverteilung in der Lösung in der Nähe der Oberfläche beeinflussen: die Ionen unterschiedlicher Ladung werden durch die Oberflächenladung angezogen und tendieren zur Oberfläche der Membran; Die gleich geladenen Ionen werden durch die Oberflächenladung abgestoßen und sind weit von der Membranoberfläche entfernt, wodurch sich die positiven und negativen Ionen in der Lösung nahe der Membranoberfläche voneinander trennen. Gleichzeitig führt die thermische Bewegung dazu, dass die positiven und negativen Ionen dazu neigen, wieder gleichmäßig zu vermischen. Durch die Kombination dieser beiden gegensätzlichen Tendenzen diffundieren die überschüssigen Heterosign-Ionen in das Medium nahe der Oberfläche des geladenen Films und bilden eine Doppelschicht. Wenn die Elektrifizierung der Membran mit der der Lösung übereinstimmt, ist die Schadstoffadsorption gering. Im Gegenteil, die Adsorption ist größer. Die Menge der an der Membranoberfläche adsorbierten Verschmutzung hängt vom kombinierten Ergebnis der beiden oben genannten Kräfte ab.
Das Adsorptionsmodell der Membranverschmutzung kann durch die Gibbs-Adsorptionsgleichung und die Fredrich-Adsorptionsgleichung ausgedrückt werden. Unter diesen konzentriert sich die Gibbs-Adsorptionsgleichung auf die Adsorptionsbeziehung unter isothermen Bedingungen:
Für den Fall, dass die Adsorptionswärme mit dem Grad der Oberflächenbedeckung zusammenhängt, wird die Friedrich-Gleichung verwendet:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Dabei ist Γ die Schadstoffadsorptionskapazität der Folie pro Flächeneinheit
k, n ist die Korrelationskonstante und c ist die Gleichgewichtskonzentration der Lösung
03 Kontrolle der Membranverschmutzung
Gemäß dem Mechanismus und Adsorptionsmodell der Membranverschmutzung kann die Membranverschmutzung durch Anpassung der folgenden Faktoren kontrolliert werden: hydrophile Eigenschaften von Membranmaterialien; Aufladungseigenschaften von Membranmaterialien; Die Konzentration der Behandlungslösung; Die Durchflussrate der Behandlungsflüssigkeit.
In dieser Arbeit wurden die Einflussfaktoren der oben genannten vier Arten der Membranverschmutzung durch entsprechende Experimente untersucht, um die Veränderungen verschiedener Faktoren auf die Membranverschmutzung zu kontrollieren.
3.1 Experimentelle Ausrüstung und Materialien
Die in diesem Experiment verwendete Ausrüstung umfasst einen selbstgebauten Platten-Ultrafilter, einen selbstgebauten Speiseflüssigkeitstank, ein Wasserbad mit superkonstanter Temperatur, eine WZJ-II-Dosierumwälzpumpe, ein C14-Isotopenmessgerät, eine Quarzfederwaage, einen Höhenmesser und so weiter.
Die verwendeten Materialien sind Standard-BSA-Lösung, vorbereitete Alkoholfermentationslösung, Polysulfon (PS), Polysulfonamid (PSA), Polyacrylnitril (PAN) und eine Acetatfaserplatten-Ultrafiltrationsmembran mit einem Molekulargewicht von 30,000.
3.2 Experimenteller Kreislaufablauf und Kontrollbedingungen
Zunächst wird die Ultrafiltrationsmembran aus verschiedenen Materialien entsprechend der Größe und Form des Ultrafiltrationstanks zu Blöcken verarbeitet, 24 Stunden lang in reinem Wasser eingeweicht und das Gewicht des Nassfilms gewogen. Dann wird eine alkoholische Fermentationslösung oder eine Standard-BSA-Lösung unterschiedlicher Konzentration, die nach der gleichen Methode hergestellt wurde, jeweils in den Speiseflüssigkeitstank gegossen. Dem Prozess folgt eine konstante Temperatur- und Luftdruckzirkulation gemäß dem in Abbildung 1 dargestellten Prozess. Nach dem Adsorptionsgleichgewicht der Ultrafiltrationsmembran wird das Gewicht des Membranblocks nach dem Adsorptionsgleichgewicht bestimmt, um die Gleichgewichtsadsorptionsmenge der experimentellen Membran zu bestimmen Block.
Das Membrangewicht der Standard-BSA-Lösung und der Alkoholfermentationslösung wurde mit der C14-Isotopenmethode bzw. Quarzfederwaage und Höhenmesser bestimmt. Die Durchflussrate der Speiseflüssigkeit wird über ein Regelventil und eine Messpumpe gesteuert und über eine Stoppuhr und einen Messzylinder gemessen. Der pH-Wert der Alkoholfermentationslösung wurde mit einem PHB-4-pH-Meter gemessen und mit 1 N HCl- bzw. NaOH-Lösungen eingestellt.
3.3 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
3.3.1 Experiment zur Hydrophilie von Membranmaterialien
Wir haben das repräsentativste hydrophile Membranmaterial Acetatfaser-Ultrafiltrationsmembran (CA) und das repräsentativste hydrophobe Membranmaterial Polysulfon-Ultrafiltrationsmembran (PS) ausgewählt, um ein Vergleichsexperiment des Gleichgewichtsadsorptionstests in Standard-BSA-Lösung durchzuführen und die Gleichgewichtskurve der Membranverschmutzung zu messen durch das C14-Isotop wurde in Abbildung 2 gezeigt: Wie aus Abbildung 2 ersichtlich ist, beträgt die Adsorptionskapazität der hydrophoben PS-Membran für das BSA-Verschmutzungsgleichgewicht etwa 1,0mg/m2, was dem Fünffachen der hydrophilen CA-Membran entspricht Unter den gleichen Bedingungen beträgt die Zeit bis zum Erreichen der Adsorptionskapazität des Verschmutzungsgleichgewichts 60 Minuten, was dem Sechsfachen der CA-Membran entspricht. Es ist ersichtlich, dass die Membran aus hydrophilen Materialien H213 aufgrund der Erhöhung ihres Hamaker reduziert, wodurch die Fan-Kraft zwischen dem Membranmaterial und dem gelösten Stoff verringert und der Verschmutzungsgrad der Membranoberfläche wirksam verringert wird. Aus der Gibbs-Gleichung ist deutlich zu erkennen, dass sich Γ nach der Bestimmung der Parameter C, T, R und Γ nur mit θ ändert. Je stärker die Hydrophobie des Materials ist, je größer d (COSθ)/dC ist, desto schwerwiegender ist die Membranverschmutzung.
Das Experiment zeigte, dass die hydrophile Membran den Vorteil einer geringen Adsorptionskapazität im Schadstoffgleichgewicht hatte. Die hydrophobe Membran hat den Vorteil, dass es lange dauert, bis das Gleichgewicht der Schadstoffadsorption erreicht ist. Daher wird bei der derzeitigen ausländischen Ultrafiltrationsmembran im Allgemeinen die Praxis von hydrophilen Verbundmaterialien auf der Basis einer hydrophoben Basismembran übernommen, was nicht nur die Verschmutzung der Membranoberfläche verringert, sondern auch die Zeit bis zum Erreichen des Adsorptionsgleichgewichts der Verschmutzung verlängert der Membranoberfläche, was die Leistung der Ultrafiltrationsmembran effektiv verbessert.
3.3.2 Experimente zu Ladungseigenschaften von Membranmaterialien
Für Vergleichsexperimente haben wir einen repräsentativeren positiv geladenen PAN-Film und einen negativ geladenen PAN-Film ausgewählt. Die Versuchsbedingungen waren: Luftdruckbetrieb; Temperatur: 25 Grad; Konzentration der Fermentationslösung: 0.333 g/L; Der pH-Wert beträgt 3,5; Durchflussrate: 43,7 cm/min.
Tabelle 1 und Abbildung 3 zeigen die Gleichgewichtsadsorptionskapazität für Schadstoffe und die Adsorptionsgleichgewichtskurve einer positiv geladenen bzw. negativ geladenen Polyacrylnitril-Ultrafiltrationsmembran (PAN) in einer alkoholischen Fermentationslösung. Aus der Diagrammanalyse ist ersichtlich, dass die Gleichgewichtsadsorptionskapazität einer positiv geladenen PAN-Ultrafiltrationsmembran in der Umgebung einer sauren positiv geladenen Alkoholfermentationslösung viel geringer ist als die einer negativ geladenen PAN-Membran. Je niedriger der pH-Wert ist, desto stärker ist die Positivität der Lösung, desto größer ist der Unterschied zwischen der Adsorptionskapazität der beiden Membranen im Verschmutzungsgleichgewicht, und wenn der pH-Wert der Lösung nahe am isoelektrischen Punkt liegt, ist die Adsorptionskapazität der beiden Membranen umso größer Die beiden Membranen neigen dazu, konsistent zu sein, und der Unterschied zwischen der maximalen Adsorptionskapazität der beiden Membranen kann mehr als 75 % erreichen.
Es ist ersichtlich, dass aufgrund des Effekts der doppelten elektrischen Schicht das Verhältnis zwischen Membran und Lösungsladung (pH-Wert) einen sehr großen Einfluss auf die Membranverschmutzung hat. Wenn die Ladung der Membran mit der der Lösung übereinstimmt, ist der eingefangene gelöste Stoff im Allgemeinen weit von der Membranoberfläche entfernt, was zu einer geringeren Verschmutzung führt. Wenn die Ladung der Membran der Ladung der Lösung entgegengesetzt ist, wird der eingefangene gelöste Stoff leicht adsorbiert und auf der Membranoberfläche abgeschieden, was zu einer stärkeren Verschmutzung führt.
Daher sollte bei der Wasserversorgung und Abwasseraufbereitung, insbesondere bei der Abwasseraufbereitung, besonderes Augenmerk auf die Beladung der Behandlungsflüssigkeit (normalerweise ausgedrückt in pH) gelegt werden. Wenn die Behandlungsflüssigkeit sauer ist, wird eine positiv geladene Ultrafiltrationsmembran ausgewählt; Wenn die Behandlungslösung alkalisch ist, wird die negativ geladene Ultrafiltrationsmembran ausgewählt.
3.3.3 Konzentration der Behandlungslösung
Gemäß der Fredrich-Gleichung Γ=k×c1 / n wurden Ultrafiltrationsmembranen aus vier Materialien, nämlich Polyalum (PS), Polyalumamid (PSA), Polyacrylnitril (PAN) und Acetatfaser (CA), zur Bestimmung ausgewählt die bei der Alkoholgärung entstehende Verschmutzung durch Flüssigkeit unterschiedlicher Konzentration. Die Versuchsbedingungen waren wie folgt: Druck; Luftdruckbetrieb; Temperatur; 25 Grad; Durchflussrate der Fermentationsflüssigkeit: 43,7 cm/min. Die experimentellen Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Durch lineare Regression der Daten in Tabelle 2 wurde die Fredrich-Gleichung der Adsorptionskapazität von vier Arten von Membranverschmutzung wie folgt erhalten:
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
Aus der obigen Gleichung ist ersichtlich, dass die Adsorptionsmenge der Verschmutzung auf der Filmoberfläche in direktem Zusammenhang mit der Konzentration der Behandlungslösung steht. Je höher die Konzentration der Behandlungsflüssigkeit ist, desto stärker ist die Verschmutzung der Membranoberfläche. Bei hydrophilen Filmen ist der durch die Konzentrationsänderung verursachte Anstieg der Oberflächenverschmutzung größer als der Anstieg der hydrophoben Filmverschmutzung. Daher hat bei der Wasseraufbereitung, insbesondere in der Abwasseraufbereitungsindustrie, die Verwendung von gefiltertem Wasser zur Rückflussverdünnung und anderen Mitteln zur Reduzierung der Konzentration der Behandlungsflüssigkeit einen erheblichen Einfluss auf die Kontrolle und Reduzierung der Verschmutzung der Filmoberfläche.
3.3.4 Durchflussrate der Behandlungsflüssigkeit
Der Einfluss der Durchflussrate der Behandlungsflüssigkeit auf die Oberflächenverschmutzung der Membran wurde durch Schadstoffadsorptionsexperimente von CA- und PS-Membranen bei unterschiedlichen Durchflussraten analysiert. FEIGE. 4 und FIG. 5 zeigt die Gleichgewichtsadsorptionskapazität von CA- und PS-Ultrafiltrationsmembranen während der Hohldruckzirkulation der Alkoholfermentationsflüssigkeit unter den experimentellen Bedingungen von 25 Grad. Der pH-Wert beträgt 3,5. Aus dem Datendiagramm können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: Die Gleichgewichtsadsorptionskapazität für Schadstoffe sowohl hydrophiler als auch hydrophober Membranen ist linear umgekehrt proportional zur Durchflussrate des Filtrats. Der Anteil der Gleichgewichtsverschmutzungsadsorption der hydrophilen Membran nahm mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ab und war größer als der der hydrophoben Membran.
Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Durchflussrate der Behandlungsflüssigkeit nicht nur dazu beiträgt, das Konzentrationspolarisationsphänomen auf der Filmoberfläche zu verringern und somit die Verschmutzung der Filmoberfläche zu verringern, sondern auch dazu beiträgt, die Verschmutzung der Filmoberfläche aufgrund des Schereffekts zu verringern Hochgeschwindigkeitsflüssigkeit auf der Filmoberfläche. Gleichzeitig erhöht die Erhöhung der Durchflussrate auch den Mikrorühreffekt der Behandlungslösung, fördert die Auflösung des gelösten Stoffes und verringert das Auftreten von Membranverschmutzung.
3.3.5 Andere Methoden
Darüber hinaus ist eine ordnungsgemäße Vorbehandlung und Behandlung der Membranoberfläche auch eine wirksame Methode zur Kontrolle der Verschmutzung der Membranoberfläche. JA Howell et al. nutzte die Methode der Fixierung von Papayase in der Ultrafiltrationsmembran, um die auf der Oberfläche der Membran abgelagerte Molke zu zersetzen, wodurch die Membranverschmutzung erheblich reduziert wurde. Darüber hinaus reduzierte die mit Tween80 behandelte Polysulfon-Ultrafiltrationsmembran die Membranoberflächenverschmutzung während der Ultrafiltration der BSA-Lösung erheblich, was ein gutes Behandlungsmittel zur Reduzierung der Membranoberflächenverschmutzung darstellt.
04 Fazit
Das Hauptproblem bei der Anwendung von Ultrafiltrationsmembranen im Bereich der Wasserversorgung und -entsorgung ist die durch Membranverschmutzung verursachte Flussabnahme. Zu den Hauptfaktoren, die die Oberflächenverschmutzung der Ultrafiltrationsmembran verursachen, gehören: die Eigenschaften der Membranmaterialien, die Zusammenarbeit zwischen Membranmaterialien und Behandlungsflüssigkeit, die Konzentration und Durchflussrate der Behandlungsflüssigkeit und andere Faktoren. Durch eine weitere Verbesserung der Eigenschaften von Membranmaterialien und eine vernünftige Handhabung der verschiedenen Parameteranpassungen zwischen Membran und Behandlungsflüssigkeit kann dieses schwierige Problem effektiv gelöst werden, sodass Ultrafiltrationsmembranen im Bereich der Wasserversorgung und -entsorgung breiter eingesetzt werden können. Hangzhou Jiuling Technology wird in Zukunft auch mehr Forschungs- und Entwicklungsmethoden zur Lösung von Membranverschmutzungen entwickeln, um den Status quo zu verbessern.
