Mekkaniżmu U Kontroll tat-Tniġġis tal-Membrana tal-Ultrafiltrazzjoni

Dan li ġej se jintroduċi fil-qosor il-mekkaniżmu u l-mudell tat-tniġġis tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni.

Ir-riżultati tat-test juru li l-fatturi ewlenin li jikkawżaw it-tniġġis tal-membrana jinkludu l-proprjetajiet tal-materjali tal-membrana, l-interazzjoni bejn il-materjali tal-membrana u l-likwidu ttrattat, il-konċentrazzjoni u r-rata tal-fluss tal-likwidu ttrattat, eċċ.

Il-problema tal-fouling tal-membrana tista 'tiġi solvuta b'mod effettiv billi ttejjeb il-proprjetajiet tal-materjali tal-membrana u timmaniġġja b'mod raġonevoli t-tqabbil tal-parametri bejn il-membrana u l-likwidu ttrattat.

 

01 Applikazzjoni tat-teknoloġija tal-membrana fl-industrija tal-provvista tal-ilma u tad-drenaġġ

 

Minħabba l-applikazzjoni wiesgħa tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni fil-qasam tal-provvista tal-ilma u d-drenaġġ, ir-reżistenza tal-filtrazzjoni kkawżata mit-tniġġis tal-membrana waqt it-tħaddim tas-sistema, speċjalment fil-qasam tat-trattament tal-ilma mormi, qed tiżdied b'mod kostanti, u l-attenwazzjoni serja tal-filtrazzjoni tal-membrana fluss huwa ċ-ċavetta biex ixekkel l-applikazzjoni u l-promozzjoni ta 'din it-teknoloġija. Dan id-dokument għandu l-għan li jtejjeb il-fehim tal-applikazzjoni effettiva tat-teknoloġija tal-membrana fil-qasam tal-provvista tal-ilma u tad-drenaġġ billi jiġbor fil-qosor il-fatturi tal-kontroll tat-tniġġis tal-esperiment tat-tniġġis tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni.

 

02 Mekkaniżmu u mudell tat-tniġġis tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni

 

2.1 Mekkaniżmu u mudell ta' tniġġis

Teoretikament, il-proċess ta 'assorbiment tas-soluzzjoni fuq il-wiċċ tal-membrana huwa kkumplikat minħabba li dejjem hemm adsorbiment kompetittiv bejn is-solut u s-solvent jew bejn il-komponenti tat-taħlita adsorbenti (membrana) fil-proċess ta' adsorbiment, għalhekk l-iżoterma ta 'adsorbiment ta' is-soluzzjoni għandha tiġi kkalkolata billi titkejjel il-linja ta' adsorbiment iżotermali apparenti u żżid data xierqa ta' adsorbiment tal-fwar. Madankollu, fil-fatt, mil-lat kwalitattiv, jista 'jitqies li l-assorbiment tal-membrana mas-solut huwa relatat mill-qrib mal-polarità bejn it-tnejn, u l-membrana tal-materjali polari għandha tendenza li tassorbi b'mod qawwi s-sustanzi polari, u l- l-assorbiment ta 'sustanzi mhux polari huwa ħafna aktar dgħajfa. Għall-kuntrarju, il-film ta 'materjali mhux polari huwa aktar probabbli li jassorbi soluti mhux polari.

Min-naħa l-oħra, skond il-prinċipju ta 'solubilità simili, is-soluti polari jinħall faċilment f'solventi polari, filwaqt li s-soluti mhux polari jinħall faċilment f'solventi mhux polari. Iktar ma jkun faċli li jinħall, inqas ikun probabbli li jiġi adsorbit mill-wiċċ tal-membrana. Fil-qosor, jekk il-polarità tas-solut tkun eqreb lejn is-solvent u opposta għall-membrana, l-assorbiment tas-solut fuq il-wiċċ tal-membrana huwa inqas. Mil-lat mikroskopiku, id-diffikultà ta 'adsorbiment fuq il-wiċċ tal-membrana u l-istabbiltà tas-saff ta' adsorbiment huma relatati mal-forza ta 'interazzjoni bejn is-solut makromolekulari, il-wiċċ tal-membrana u s-solut makromolekulari. Il-forza bejniethom hija ġeneralment maqsuma f'forza ta 'van der Waals u forza ta' saff doppju.

 

2.1.1 Forzi Van der Waals

Id-daqs tal-forza ta' Van Gogh bejn żewġ korpi jista' jkun ikkaratterizzat mill-kostanti ta' proporzjonalità Hamaker H. Għas-sistema ternarja ta' ilma (1), solut (2) u membrana (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] fil-formula 2, H11, H22 u H33 huma l-kostanti Hamaker ta 'ilma, solut u membrana, rispettivament. Il-membrana idrofobika, H33 naqas; Għal solut idrofobiku, H22 naqas. It-tnejn li huma jistgħu jwasslu għaż-żieda ta 'H213, iżidu l-forza tal-Fan bejn il-membrana u s-solut, u jaggravaw it-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana. Għalhekk, kemm il-membrani idrofobiċi kif ukoll is-soluti jagħmlu l-wiċċ tal-membrana aktar suxxettibbli għall-kontaminazzjoni.

 

2.1.2 Forza ta 'saff elettriku doppju

Meta l-membrana tkun f'kuntatt mas-soluzzjoni, il-wiċċ tal-membrana se jiġi ċċarġjat minħabba l-adsorbiment joniku, orjentazzjoni dipol, bond idroġenu u effetti oħra, u l-ħlas tal-wiċċ jista 'jaffettwa d-distribuzzjoni tal-joni fis-soluzzjoni ħdejn il-wiċċ: il joni bi ħlasijiet differenti huma attirati mill-ċarġ tal-wiċċ u għandhom tendenza lejn il-wiċċ tal-membrana; Il-jonji bl-istess ħlas huma repelled mill-ċarġ tal-wiċċ u huma 'l bogħod mill-wiċċ tal-membrana, li jagħmel il-joni pożittivi u negattivi fis-soluzzjoni ħdejn il-wiċċ tal-membrana separati minn xulxin. Fl-istess ħin, il-moviment termali jagħmel il-jonji pożittivi u negattivi għandhom tendenza li jirritornaw għal taħlit uniformi. Taħt il-kombinazzjoni ta 'dawn iż-żewġ tendenzi opposti, il-jonji eterosign żejda huma mxerrda fil-medju ħdejn il-wiċċ tal-film iċċarġjat biex jiffurmaw saff doppju. Meta l-elettrifikazzjoni tal-membrana hija l-istess bħal dik tas-soluzzjoni, l-assorbiment tat-tniġġis huwa żgħir. Għall-kuntrarju, l-assorbiment huwa akbar. L-ammont ta 'tniġġis adsorbit fuq il-wiċċ tal-membrana jiddependi fuq ir-riżultat magħqud taż-żewġ forzi ta' hawn fuq.

 

Il-mudell ta 'adsorbiment ta' fouling tal-membrana jista 'jiġi espress bl-ekwazzjoni ta' adsorbiment Gibbs u l-ekwazzjoni ta 'adsorbiment Fredrich. Fost dawn, l-ekwazzjoni ta 'adsorbiment Gibbs tiffoka fuq ir-relazzjoni ta' adsorbiment taħt kundizzjonijiet iżotermiċi:

Fil-każ li s-sħana tal-adsorbiment tkun relatata mal-grad ta 'kopertura tal-wiċċ, tintuża l-ekwazzjoni ta' Friedrich:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Fejn, Γ hija l-kapaċità ta' adsorbiment tat-tniġġis tal-film għal kull unità ta' erja

k, n hija l-kostanti ta' korrelazzjoni u c hija l-konċentrazzjoni ta' ekwilibriju tas-soluzzjoni

 

03 Kontroll tat-tniġġis tal-membrana

Skont il-mekkaniżmu u l-mudell ta 'adsorbiment tat-tniġġis tal-membrana, it-tniġġis tal-membrana jista' jiġi kkontrollat ​​billi jiġu aġġustati l-fatturi li ġejjin: proprjetajiet idrofiliċi tal-materjali tal-membrana; Proprjetajiet ta' ċċarġjar ta' materjali tal-membrana; Il-konċentrazzjoni tas-soluzzjoni tat-trattament; Ir-rata tal-fluss tal-fluwidu tat-trattament.

F'dan id-dokument, il-fatturi ta 'influwenza ta' l-erba 'tipi ta' tniġġis tal-membrana ta 'hawn fuq ġew studjati permezz ta' esperimenti rilevanti, sabiex ifittxu l-kontroll tal-bidliet ta 'diversi fatturi fuq it-tniġġis tal-membrana.

 

3.1 Tagħmir u materjali sperimentali

It-tagħmir użat f'dan l-esperiment jinkludi ultrafilter tal-pjanċa magħmul minnu nnifsu, tank tal-likwidu tal-għalf magħmul minnu nnifsu, banju tal-ilma b'temperatura super kostanti, pompa taċ-ċirkolazzjoni tal-metraġġ WZJ-II, arloġġ tal-isotopi C14, skala tar-rebbiegħa tal-kwarz, arloġġ tal-għoli u l-bqija.

Il-materjali użati huma soluzzjoni standard BSA, soluzzjoni ta 'fermentazzjoni tal-alkoħol ippreparata, polysulfone (PS), polysulfone amide (PSA), polyacrylonitrile (PAN) u membrana ta' ultrafiltrazzjoni tal-pjanċa tal-fibra tal-aċetat b'piż molekulari ta '30,000.

 

3.2 Il-fluss taċ-ċiklu sperimentali u l-kundizzjonijiet tal-kontroll

L-ewwelnett, il-membrana tal-ultrafiltrazzjoni ta 'diversi materjali hija magħmula fi blokki skont id-daqs u l-għamla tat-tank tal-ultrafiltrazzjoni, u mxarrba f'ilma pur għal 24 siegħa, u l-piż tal-film imxarrab jintiżen. Imbagħad, soluzzjoni tal-fermentazzjoni tal-alkoħol jew soluzzjoni standard BSA ta 'konċentrazzjonijiet differenti ppreparati bl-istess metodu jitferra' fit-tank tal-likwidu tal-għalf rispettivament. Il-proċess huwa segwit minn temperatura kostanti u ċirkolazzjoni tal-pressjoni tal-arja skont il-proċess muri fil-Figura 1. Wara l-ekwilibriju tal-adsorbiment tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni, il-piż tal-blokka tal-membrana wara l-ekwilibriju tal-adsorbiment huwa determinat biex jiddetermina l-ammont tal-adsorbiment tal-ekwilibriju tal-membrana sperimentali blokk.

Il-piż tal-membrana tas-soluzzjoni standard tal-BSA u s-soluzzjoni tal-fermentazzjoni tal-alkoħol kien iddeterminat bil-metodu tal-isotopi C14 u l-bilanċ tar-rebbiegħa tal-kwarz u l-miter tal-għoli, rispettivament. Ir-rata tal-fluss tal-likwidu tal-għalf hija kkontrollata billi tirregola l-valv u l-pompa tal-kejl, u mkejla permezz ta 'stopwatch u ċilindru tal-kejl. Il-valur tal-pH tas-soluzzjoni tal-fermentazzjoni tal-alkoħol tkejjel b'miter tal-pH PHB-4 u aġġustat b'soluzzjonijiet 1 N HCl u NaOH rispettivament.

 

3.3 Riżultati sperimentali u diskussjoni

3.3.1 Esperiment dwar l-idrofiliċità tal-materjali tal-membrana

Aħna għażilna l-aktar rappreżentattiv tal-membrana tal-membrana idrofilika tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni tal-fibra tal-aċetat (CA) u l-membrana tal-ultrafiltrazzjoni tal-polysulfone tal-materjal tal-membrana idrofobika l-aktar rappreżentattiva (PS) biex twettaq esperiment komparattiv ta 'test ta' adsorbiment tal-ekwilibriju f'soluzzjoni standard BSA, u l-kurva tal-ekwilibriju tat-tniġġis tal-membrana mkejla mill-isotopu C14 intwera fil-Figura 2: Kif jidher mill-Figura 2, il-kapaċità ta 'assorbiment tal-membrana idrofobika PS għall-ekwilibriju tat-tniġġis BSA hija madwar 1.0mg/m2, li hija 5 darbiet dik tal-membrana idrofilika CA taħt l-istess kundizzjonijiet, u l-ħin biex tintlaħaq il-kapaċità ta 'assorbiment ta' ekwilibriju tat-tniġġis huwa ta '60 minuta, li huwa 6 darbiet dak tal-membrana CA. Jista 'jidher li l-membrana magħmula minn materjali idrofiliċi tnaqqas l-H213 minħabba ż-żieda tal-Hamaker tagħha, u b'hekk tnaqqas il-forza tal-Fan bejn il-materjal tal-membrana u s-solut, u tnaqqas b'mod effettiv il-livell ta' tniġġis tal-wiċċ tal-membrana. Jista' jidher b'mod ċar mill-ekwazzjoni ta' Gibbs li wara d-determinazzjoni tal-parametri C, T, R u , Γ tinbidel biss b'θ. Aktar ma tkun b'saħħitha l-idrofobiċità tal-materjal, iktar ikun kbir id-d (COSθ)/dC, iktar ikun serju t-tniġġis tal-membrana.
 

L-esperiment wera li l-membrana idrofilika kellha l-vantaġġ ta 'kapaċità ta' assorbiment ta 'ekwilibriju ta' tniġġis baxx. Il-membrana idrofobika għandha l-vantaġġ ta 'żmien twil biex tilħaq l-ekwilibriju ta' l-assorbiment tat-tniġġis. Għalhekk, fil-fatt, il-membrana ta 'ultrafiltrazzjoni barranija attwali ġeneralment tadotta l-prattika ta' materjali idrofiliċi komposti fuq il-bażi ta 'membrana bażi idrofobika, li mhux biss tnaqqas it-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana, iżda wkoll testendi l-ħin biex tilħaq il-bilanċ ta' adsorbiment tat-tniġġis. tal-wiċċ tal-membrana, li effettivament ittejjeb il-prestazzjoni tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni.

 

3.3.2 Esperimenti dwar il-proprjetajiet tal-iċċarġjar tal-materjali tal-membrana

Aħna għażilna film PAN iċċarġjat b'mod pożittiv aktar rappreżentattiv u film PAN iċċarġjat b'mod negattiv biex nagħmlu esperimenti komparattivi. Il-kundizzjonijiet sperimentali kienu: operazzjoni tal-pressjoni tal-arja; Temperatura: 25 grad; Konċentrazzjoni tas-soluzzjoni tal-fermentazzjoni: 0.333 g/L; pH huwa 3.5; Rata tal-fluss: 43.7cm/min.

It-Tabella 1 u l-Figura 3 juru l-kapaċità ta 'assorbiment tat-tniġġis tal-ekwilibriju u l-kurva tal-ekwilibriju tal-adsorbiment tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni tal-polyacrylonitrile (PAN) iċċarġjata b'mod pożittiv u ċċarġjata b'mod negattiv f'soluzzjoni ta' fermentazzjoni tal-alkoħol rispettivament. Jista 'jidher mill-analiżi tad-dijagramma li l-kapaċità ta' adsorbiment tal-ekwilibriju tal-membrana ta 'ultrafiltrazzjoni PAN iċċarġjata pożittiva hija ħafna inqas minn dik tal-membrana PAN iċċarġjata negattiva fl-ambjent ta' soluzzjoni ta 'fermentazzjoni tal-alkoħol iċċarġjata b'mod pożittiv aċiduż. Iktar ma jkun baxx il-valur tal-pH, iktar tkun b'saħħitha l-pożittività tas-soluzzjoni, akbar tkun id-differenza bejn il-kapaċità ta 'assorbiment tal-ekwilibriju tat-tniġġis taż-żewġ membrani, u meta l-valur tal-pH tas-soluzzjoni jkun qrib il-punt iżoelettriku, il-kapaċità ta' adsorbiment tal- żewġ membrani għandhom tendenza li jkunu konsistenti u d-differenza bejn il-kapaċità massima ta 'assorbiment taż-żewġ membrani tista' tilħaq aktar minn 75%.

Jista 'jidher li minħabba l-effett ta' saff elettriku doppju, ir-relazzjoni bejn il-membrana u l-ħlas tas-soluzzjoni (valur tal-pH) se jkollha impatt kbir ħafna fuq it-tniġġis tal-membrana. Meta l-ħlas tal-membrana huwa l-istess bħal dak tas-soluzzjoni, is-solut maqbud huwa ġeneralment 'il bogħod mill-wiċċ tal-membrana, li jirriżulta f'inqas tniġġis. Meta l-ħlas tal-membrana huwa oppost għall-ħlas tas-soluzzjoni, is-solut maqbud huwa faċilment adsorbit u depożitat fuq il-wiċċ tal-membrana, li jirriżulta f'tniġġis akbar.

Għalhekk, fil-provvista tal-ilma u t-trattament tad-drenaġġ, speċjalment fil-proċess tat-trattament tad-drenaġġ, għandha tingħata attenzjoni speċjali lill-iċċarġjar tal-likwidu tat-trattament (ġeneralment espress f'pH). Meta l-likwidu tat-trattament ikun aċiduż, jintgħażel membrana ta 'ultrafiltrazzjoni ċċarġjata b'mod pożittiv; Meta s-soluzzjoni tat-trattament tkun alkalina, tintgħażel il-membrana ta 'ultrafiltrazzjoni ċċarġjata b'mod negattiv.

 

3.3.3 Konċentrazzjoni tas-soluzzjoni tat-trattament

Skont l-ekwazzjoni Fredrich Γ=k × c1 / n, membrani ta 'ultrafiltrazzjoni ta' erba 'materjali, jiġifieri polyalum (PS), polyalum amide (PSA), polyacrylonitrile (PAN) u fibra aċetat (CA), intgħażlu biex jiddeterminaw it-tniġġis iffurmat fil-likwidu tal-fermentazzjoni tal-alkoħol ta 'konċentrazzjonijiet differenti. Il-kundizzjonijiet sperimentali kienu kif ġej: pressjoni; Operazzjoni tal-pressjoni tal-arja; Temperatura; 25 grad; Rata tal-fluss tal-likwidu tal-fermentazzjoni: 43.7cm/min. Ir-riżultati sperimentali huma murija fit-Tabella 2.

Permezz ta 'rigressjoni lineari tad-dejta fit-Tabella 2, l-ekwazzjoni Fredrich tal-kapaċità ta' adsorbiment ta 'erba' tipi ta 'tniġġis tal-membrana nkisbet kif ġej:

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
Jista 'jidher mill-ekwazzjoni ta' hawn fuq li l-ammont ta 'assorbiment ta' tniġġis fuq il-wiċċ tal-film huwa direttament relatat mal-konċentrazzjoni tas-soluzzjoni tat-trattament. Aktar ma tkun għolja l-konċentrazzjoni tal-likwidu tat-trattament, iktar ikun qawwi t-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana. Għall-film idrofiliku, iż-żieda tat-tniġġis tal-wiċċ ikkawżat mill-bidla tal-konċentrazzjoni hija akbar miż-żieda tat-tniġġis tal-film idrofobiku. Għalhekk, fit-trattament tal-ilma, speċjalment fl-industrija tat-trattament tad-drenaġġ, l-użu ta 'dilwizzjoni ta' backflow tal-ilma ffiltrat u mezzi oħra biex titnaqqas il-konċentrazzjoni tal-likwidu tat-trattament għandu effett sinifikanti fuq il-kontroll u t-tnaqqis tat-tniġġis tal-wiċċ tal-film.

 

3.3.4 Rata tal-fluss tal-likwidu tat-trattament

L-influwenza tar-rata tal-fluss tal-likwidu tat-trattament fuq it-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana ġiet analizzata permezz tal-esperimenti ta 'assorbiment tat-tniġġis ta' membrani CA u PS b'rati ta 'fluss differenti. FIG. 4 u FIG. 5 wera l-kapaċità ta 'assorbiment ta' ekwilibriju ta 'membrani ta' ultrafiltrazzjoni CA u PS matul iċ-ċirkolazzjoni tal-pressjoni vojta tal-likwidu tal-fermentazzjoni tal-alkoħol, rispettivament, taħt il-kundizzjonijiet sperimentali ta '25 grad. Il-valur tal-pH huwa 3.5. Il-konklużjonijiet li ġejjin jistgħu jittieħdu mid-dijagramma tad-dejta: il-kapaċità ta 'assorbiment ta' tniġġis ta 'ekwilibriju kemm ta' membrani idrofiliċi kif ukoll idrofobiċi hija lineari inversament proporzjonali għar-rata tal-fluss tal-filtrat. Il-proporzjon ta 'assorbiment ta' tniġġis ta 'ekwilibriju tal-membrana idrofilika naqas biż-żieda tal-veloċità tal-fluss kien akbar minn dak tal-membrana idrofobika.

Dan għaliex iż-żieda fir-rata tal-fluss tal-likwidu tat-trattament mhux biss twassal biex tnaqqas il-fenomenu tal-polarizzazzjoni tal-konċentrazzjoni fuq il-wiċċ tal-film, u b'hekk tnaqqas it-tniġġis tal-wiċċ tal-film, iżda twassal ukoll biex tnaqqas it-tniġġis tal-wiċċ tal-film minħabba l-effett shear ta ' fluwidu ta 'veloċità għolja fuq il-wiċċ tal-film. Fl-istess ħin, iż-żieda tar-rata tal-fluss se żżid ukoll l-effett mikro-taħwid tas-soluzzjoni tat-trattament, tippromwovi x-xoljiment tas-solut u tnaqqas l-okkorrenza tat-tniġġis tal-membrana.

 

3.3.5 Metodi Oħra

Barra minn hekk, trattament minn qabel xieraq tal-wiċċ tal-membrana u t-trattament huwa wkoll metodu effettiv biex jikkontrolla t-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana. JA Howell et al. uża l-metodu li jiffissa l-papajase fil-membrana tal-ultrafiltrazzjoni biex jiddekomponi x-xorrox depożitat fuq il-wiċċ tal-membrana, li naqqas ħafna t-tniġġis tal-membrana. Barra minn hekk, il-membrana tal-ultrafiltrazzjoni tal-polysulfone ittrattata b'Tween80 naqqset ħafna t-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana matul l-ultrafiltrazzjoni tas-soluzzjoni BSA, li hija mezz ta 'trattament tajjeb biex jitnaqqas it-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana.

 

04 Konklużjoni

Il-problema ewlenija tal-applikazzjoni tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni fil-qasam tal-provvista tal-ilma u d-drenaġġ hija t-tnaqqis tal-fluss ikkawżat mit-tniġġis tal-membrana. Il-fatturi ewlenin li jikkawżaw it-tniġġis tal-wiċċ tal-membrana tal-ultrafiltrazzjoni jinkludu: il-proprjetajiet tal-materjali tal-membrana, il-kooperazzjoni bejn il-materjali tal-membrana u l-likwidu tat-trattament, il-konċentrazzjoni u r-rata tal-fluss tal-likwidu tat-trattament u fatturi oħra. Billi ttejjeb aktar il-proprjetajiet tal-materjali tal-membrana u timmaniġġja b'mod raġonevoli t-tqabbil tal-parametri varji bejn il-membrana u l-likwidu tat-trattament, din il-problema diffiċli tista 'tiġi solvuta b'mod effettiv, sabiex il-membrana tal-ultrafiltrazzjoni tkun tista' tintuża b'mod aktar wiesa 'fil-qasam tal-provvista tal-ilma u d-drenaġġ. Hangzhou Jiuling Technology se tagħmel ukoll aktar metodi ta 'riċerka u żvilupp fis-soluzzjoni tat-tniġġis tal-membrana fil-futur biex ittejjeb l-istatus quo.