Ultrasuodatuskalvon saastumisen mekanismi ja valvonta

Seuraavassa esitellään lyhyesti ultrasuodatuskalvosaasteen mekanismi ja malli.

Testitulokset osoittavat, että tärkeimpiä kalvon saastumista aiheuttavia tekijöitä ovat kalvomateriaalien ominaisuudet, kalvomateriaalien ja käsitellyn nesteen välinen vuorovaikutus, käsitellyn nesteen pitoisuus ja virtausnopeus jne.

Kalvon likaantumisen ongelma voidaan ratkaista tehokkaasti parantamalla kalvomateriaalien ominaisuuksia ja käsittelemällä järkevästi kalvon ja käsitellyn nesteen välistä parametrien yhteensopivuutta.

 

01 Kalvoteknologian soveltaminen vesihuolto- ja viemäriteollisuudessa

 

Koska ultrasuodatuskalvoa käytetään laajasti vedenjakelun ja viemäröinnin alalla, järjestelmän toiminnan aikana tapahtuvan kalvosaasteen aiheuttama suodatusvastus kasvaa jatkuvasti, erityisesti jätevedenpuhdistuksen alalla, ja kalvosuodatuksen vakava heikkeneminen flux on avain tämän tekniikan soveltamisen ja edistämisen estämiseen. Tämän artikkelin tarkoituksena on parantaa ymmärrystä kalvotekniikan tehokkaasta soveltamisesta vesihuollon ja salaojituksen alalla tekemällä yhteenveto ultrasuodatuskalvosaastekokeen saastumisenhallintatekijöistä.

 

02 Ultrasuodatuskalvosaasteen mekanismi ja malli

 

2.1 Saastumismekanismi ja -malli

Teoreettisesti ottaen liuoksen adsorptioprosessi kalvon pinnalle on monimutkainen, koska liuenneen aineen ja liuottimen välillä tai adsorptioprosessissa adsorptioaineseoksen (kalvon) komponenttien välillä on aina kilpaileva adsorptio, joten adsorptioisotermi liuos on laskettava mittaamalla näennäinen isoterminen adsorptioviiva ja lisäämällä asianmukaiset höyryadsorptiotiedot. Itse asiassa laadullisesta näkökulmasta katsottuna voidaan kuitenkin katsoa, ​​että kalvon adsorptio liuenneeseen aineeseen liittyy läheisesti näiden kahden väliseen polariteettiin ja polaaristen materiaalien kalvolla on taipumus adsorboida voimakkaasti polaarisia aineita, ja ei-polaaristen aineiden adsorptio on paljon heikompaa. Päinvastoin, ei-polaaristen materiaalien kalvo adsorboi todennäköisemmin ei-polaarisia liuenneita aineita.

Toisaalta samanlaisen liukoisuuden periaatteen mukaan polaariset liuenneet aineet liukenevat helposti polaarisiin liuottimiin, kun taas ei-polaariset liuenneet aineet liukenevat helposti ei-polaarisiin liuottimiin. Mitä helpommin se liukenee, sitä vähemmän todennäköisesti se adsorboituu kalvon pintaan. Yhteenvetona voidaan todeta, että jos liuenneen aineen polariteetti on lähempänä liuotinta ja vastapäätä kalvoa, liuenneen aineen adsorptio kalvon pinnalle on pienempi. Mikroskooppisesta näkökulmasta katsottuna adsorption vaikeus kalvon pinnalle ja adsorptiokerroksen stabiilisuus liittyvät makromolekyylisen liuenneen aineen, kalvon pinnan ja makromolekyylisen liuenneen aineen väliseen vuorovaikutusvoimaan. Niiden välinen voima jaetaan yleensä van der Waalsin voimaksi ja kaksikerroksiseksi voimaksi.

 

2.1.1 Van der Waalsin joukot

Kahden kappaleen välisen Van Goghin voiman suuruutta voidaan luonnehtia Hamakerin suhteellisuusvakiolla H. Veden (1), liuenneen aineen (2) ja kalvon (3) kolmiosaiselle järjestelmälle: H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] kaavassa 2, H11, H22 ja H33 ovat veden, liuenneen aineen ja kalvon Hamakerin vakiot, vastaavasti. Hydrofobinen kalvo, H33, väheni; Hydrofobisen liuenneen aineen H22 laski. Molemmat voivat johtaa H213:n lisääntymiseen, lisätä tuuletusvoimaa kalvon ja liuenneen aineen välillä ja pahentaa kalvon pinnan saastumista. Siksi sekä hydrofobiset kalvot että liuenneet aineet tekevät kalvon pinnasta alttiimman kontaminaatiolle.

 

2.1.2 Kaksinkertaisen sähkökerroksen voima

Kun kalvo on kosketuksissa liuoksen kanssa, kalvon pinta varautuu ionisen adsorption, dipoliorientaation, vetysidoksen ja muiden vaikutusten vuoksi, ja pintavaraus voi vaikuttaa ionien jakautumiseen liuoksessa lähellä pintaa: Pintavaraus vetää puoleensa eri varauksilla olevia ioneja ja pyrkii kalvon pintaan; Samavaraiset ionit hylkivät pintavarauksen ja ovat kaukana kalvon pinnasta, jolloin kalvon pinnan lähellä olevan liuoksen positiiviset ja negatiiviset ionit eroavat toisistaan. Samaan aikaan lämpöliike saa positiiviset ja negatiiviset ionit palaamaan tasaiseen sekoittumiseen. Näiden kahden vastakkaisen suuntauksen yhdistelmässä ylimääräiset heterosigni-ionit diffundoituvat väliaineeseen lähellä varautuneen kalvon pintaa muodostaen kaksoiskerroksen. Kun kalvon sähköistys on sama kuin liuoksen, saasteiden adsorptio on pieni. Päinvastoin, adsorptio on suurempi. Kalvon pinnalle adsorboituneen saasteen määrä riippuu edellä mainittujen kahden voiman yhteistuloksesta.

 

Kalvon likaantumisen adsorptiomalli voidaan ilmaista Gibbsin adsorptioyhtälöllä ja Fredrichin adsorptioyhtälöllä. Niiden joukossa Gibbsin adsorptioyhtälö keskittyy adsorptiosuhteeseen isotermisissa olosuhteissa:

Siinä tapauksessa, että adsorptiolämpö liittyy pinnan peittoasteeseen, käytetään Friedrich-yhtälöä:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Missä Γ on kalvon saasteiden adsorptiokyky pinta-alayksikköä kohti

k, n on korrelaatiovakio ja c on liuoksen tasapainopitoisuus

 

03 Kalvopäästöjen valvonta

Kalvon saastumisen mekanismin ja adsorptiomallin mukaan kalvosaastetta voidaan hallita säätämällä seuraavia tekijöitä: kalvomateriaalien hydrofiiliset ominaisuudet; Kalvomateriaalien latausominaisuudet; käsittelyliuoksen pitoisuus; Käsittelynesteen virtausnopeus.

Tässä työssä edellä mainittujen neljän kalvosaasteen vaikutustekijöitä tutkittiin asiaankuuluvin kokein, jotta haluttiin saada hallintaa erilaisten kalvosaasteen tekijöiden muutoksiin.

 

3.1 Koelaitteet ja materiaalit

Tässä kokeessa käytettyihin laitteisiin kuuluu itse tehty levyultrasuodatin, itse tehty syöttönestesäiliö, supervakiolämpötilainen vesihaude, WZJ-II-mittauskiertopumppu, C14-isotooppimittari, kvartsijousivaaka, korkeusmittari ja niin edelleen.

Käytetyt materiaalit ovat standardi BSA-liuos, valmistettu alkoholifermentointiliuos, polysulfoni (PS), polysulfoniamidi (PSA), polyakryylinitriili (PAN) ja asetaattikuitulevyultrasuodatuskalvo, jonka molekyylipaino on 30,000.

 

3.2 Koesyklin virtaus ja ohjausolosuhteet

Ensinnäkin eri materiaalien ultrasuodatuskalvo valmistetaan lohkoiksi ultrasuodatussäiliön koon ja muodon mukaan ja liotetaan puhtaassa vedessä 24 tuntia ja märän kalvon paino punnitaan. Sitten samalla menetelmällä valmistettu alkoholifermentointiliuos tai eri pitoisuuksien standardi-BSA-liuos kaadetaan vastaavasti syöttönestesäiliöön. Prosessia seuraa vakiolämpötilan ja ilmanpaineen kierto kuvassa 1 esitetyn prosessin mukaisesti. Ultrasuodatuskalvon adsorptiotasapainon jälkeen määritetään kalvolohkon paino adsorptiotasapainon jälkeen kokeellisen kalvon adsorptiotasapainon määrittämiseksi. lohko.

Standardi-BSA-liuoksen ja alkoholifermentointiliuoksen kalvopaino määritettiin C14-isotooppimenetelmällä ja vastaavasti kvartsijousivaaka- ja korkeusmittarilla. Syöttönesteen virtausnopeutta ohjataan säätöventtiilillä ja mittauspumpulla ja mitataan sekuntikellolla ja mittaussylinterillä. Alkoholifermentointiliuoksen pH-arvo mitattiin PHB-4 pH-mittarilla ja säädettiin vastaavasti 1 N HCl- ja NaOH-liuoksella.

 

3.3 Kokeiden tulokset ja keskustelu

3.3.1 Koe kalvomateriaalien hydrofiilisyydestä

Valitsimme edustavimman hydrofiilisen kalvomateriaalin asetaattikuituultrasuodatuskalvon (CA) ja edustavimman hydrofobisen kalvomateriaalin polysulfoni-ultrasuodatuskalvon (PS) suorittaaksemme vertailevan kokeen tasapainoadsorptiotestistä BSA-standardiliuoksessa ja kalvosaasteen tasapainokäyrän mittaamiseksi. C14-isotoopilla on esitetty kuvassa 2: Kuten kuvasta 2 voidaan nähdä, hydrofobisen PS-kalvon adsorptiokyky BSA-saastetasapainossa on noin 1.0mg/m2, mikä on 5 kertaa hydrofiilisen CA-kalvon adsorptiokyky samoissa olosuhteissa ja saastetasapainon adsorptiokapasiteetin saavuttamiseen kuluva aika on 60 minuuttia, mikä on 6 kertaa CA-kalvon. Voidaan nähdä, että hydrofiilisistä materiaaleista valmistettu kalvo vähentää H213:a sen Hamakerin lisääntymisen vuoksi, mikä vähentää tuulettimen voimaa kalvomateriaalin ja liuenneen aineen välillä ja vähentää tehokkaasti kalvon pinnan saastetasoa. Gibbsin yhtälöstä voidaan selvästi nähdä, että parametrien C, T, R ja , määrityksen jälkeen Γ muuttuu vain θ:n kanssa. Mitä vahvempi materiaalin hydrofobisuus on, sitä suurempi d (COSθ)/dC, sitä vakavampi kalvon saastuminen.
 

Koe osoitti, että hydrofiilisen kalvon etuna oli alhainen saastetasapainon adsorptiokyky. Hydrofobisen kalvon etuna on pitkä aika saavuttaa saasteiden adsorption tasapaino. Siksi itse asiassa nykyinen ulkomainen ultrasuodatuskalvo omaksuu yleensä hydrofiilisten komposiittimateriaalien käytännön hydrofobiseen peruskalvoon perustuen, mikä ei ainoastaan ​​vähennä kalvon pinnan saastumista, vaan myös pidentää saastumisen adsorptiotasapainon saavuttamiseen kuluvaa aikaa. kalvon pinnasta, mikä parantaa tehokkaasti ultrasuodatuskalvon suorituskykyä.

 

3.3.2 Kokeet kalvomateriaalien varausominaisuuksista

Valitsimme edustavamman positiivisesti varautuneen PAN-kalvon ja negatiivisesti varautuneen PAN-kalvon vertailevien kokeiden tekemiseen. Koeolosuhteet olivat: ilmanpainetoiminta; Lämpötila: 25 astetta ; Fermentointiliuoksen pitoisuus: 0,333 g/L; pH on 3,5; Virtausnopeus: 43,7 cm/min.

Taulukko 1 ja kuvio 3 esittävät positiivisesti varautuneen ja negatiivisesti varautuneen polyakryylinitriilin ultrasuodatuskalvon (PAN) tasapainosaasteen adsorptiokapasiteetin ja vastaavasti adsorptiotasapainokäyrän alkoholifermentointiliuoksessa. Kaavioanalyysistä voidaan nähdä, että positiivisesti varautuneen PAN-ultrasuodatuskalvon tasapainoadsorptiokapasiteetti on paljon pienempi kuin negatiivisesti varautuneen PAN-kalvon happaman positiivisesti varautuneen alkoholifermentointiliuoksen ympäristössä. Mitä pienempi pH-arvo on, sitä voimakkaampi on liuoksen positiivisuus, sitä suurempi on ero näiden kahden kalvon saastetasapainon adsorptiokapasiteetin välillä, ja kun liuoksen pH on lähellä isoelektristä pistettä, liuoksen adsorptiokyky on suurempi. kahdella kalvolla on taipumus olla johdonmukaisia ​​ja ero kahden kalvon maksimiadsorptiokapasiteetin välillä voi olla yli 75 %.

Voidaan nähdä, että kaksinkertaisen sähkökerroksen vaikutuksesta kalvon ja liuoksen varauksen (pH-arvon) välisellä suhteella on erittäin suuri vaikutus kalvon saastumiseen. Kun kalvon varaus on sama kuin liuoksen, loukkuun jäänyt liuennut aine on yleensä kaukana kalvon pinnasta, mikä johtaa vähemmän saastumiseen. Kun kalvon varaus on vastakkainen liuoksen varauksen kanssa, kiinni jäänyt liuennut aine adsorboituu helposti ja kerrostuu kalvon pinnalle, mikä johtaa suurempaan saastumiseen.

Siksi vedenjakelu- ja viemärikäsittelyssä, erityisesti jäteveden käsittelyprosessissa, tulee kiinnittää erityistä huomiota käsittelynesteen panostukseen (yleensä pH ilmaistuna). Kun käsittelyneste on hapan, valitaan positiivisesti varautunut ultrasuodatuskalvo; Kun käsittelyliuos on emäksinen, valitaan negatiivisesti varautunut ultrasuodatuskalvo.

 

3.3.3 Käsittelyliuoksen pitoisuus

Fredrich-yhtälön Γ=k×c1 / n mukaan määrittämiseen valittiin ultrasuodatuskalvot neljästä materiaalista, nimittäin polyalumista (PS), polyalumamidista (PSA), polyakryylinitriilistä (PAN) ja asetaattikuidusta (CA). eri pitoisuuksien alkoholikäymisnesteeseen muodostuva saaste. Koeolosuhteet olivat seuraavat: paine; Ilmanpaine toiminta; Lämpötila; 25 astetta; Käymisnesteen virtausnopeus: 43,7 cm/min. Koetulokset on esitetty taulukossa 2.

Taulukon 2 tietojen lineaarisella regressiolla saatiin Fredrich-yhtälö neljän kalvosaasteen adsorptiokyvystä seuraavasti:

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

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

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

CA-kalvo:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………………3．4
Yllä olevasta yhtälöstä voidaan nähdä, että kalvon pinnalla olevan saasteen adsorptiomäärä on suoraan verrannollinen käsittelyliuoksen pitoisuuteen. Mitä suurempi käsittelynesteen pitoisuus on, sitä voimakkaampi on kalvon pinnan saastuminen. Hydrofiiliselle kalvolle pitoisuuden muutoksen aiheuttama pintasaasteen lisääntyminen on suurempi kuin hydrofobisen kalvon saastumisen lisääntyminen. Siksi vedenkäsittelyssä, erityisesti jätevedenkäsittelyteollisuudessa, suodatetun veden takaisinvirtauslaimennuksella ja muilla keinoilla käsittelynesteen pitoisuuden vähentämiseksi on merkittävä vaikutus kalvon pinnan saastumisen hallintaan ja vähentämiseen.

 

3.3.4 Käsittelynesteen virtausnopeus

Käsittelynesteen virtausnopeuden vaikutusta kalvon pintasaasteeseen analysoitiin CA- ja PS-kalvojen saasteadsorptiokokeiden avulla eri virtausnopeuksilla. KUVA. 4 ja KUVA 4 Kuva 5 osoitti CA- ja PS-ultrasuodatuskalvojen tasapainoadsorptiokapasiteetin alkoholin käymisnesteen onton painekierron aikana 25 asteen koeolosuhteissa. pH-arvo on 3,5. Datakaaviosta voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset: Sekä hydrofiilisten että hydrofobisten kalvojen tasapainosaasteadsorptiokyky on lineaarisesti kääntäen verrannollinen suodoksen virtausnopeuteen. Hydrofiilisen kalvon tasapainosaasteen adsorption osuus pieneni virtausnopeuden kasvaessa oli suurempi kuin hydrofobisen kalvon.

Tämä johtuu siitä, että käsittelynesteen virtausnopeuden kasvu ei ainoastaan ​​edistä pitoisuuspolarisaatioilmiön vähentämistä kalvon pinnalla, mikä vähentää kalvon pinnan saastumista, vaan myös vähentää kalvon pinnan saastumista leikkausvaikutuksen vuoksi. nopea neste kalvon pinnalle. Samaan aikaan virtausnopeuden kasvu lisää myös käsittelyliuoksen mikrosekoitusvaikutusta, edistää liuenneen aineen liukenemista ja vähentää kalvosaasteiden esiintymistä.

 

3.3.5 Muut menetelmät

Lisäksi kalvopinnan asianmukainen esikäsittely ja käsittely on myös tehokas tapa hallita kalvon pinnan saastumista. JA Howell et ai. käytti menetelmää papayaasin kiinnittämiseksi ultrasuodatuskalvoon hajottaakseen kalvon pinnalle kertyneen heran, mikä vähensi suuresti kalvon saastumista. Lisäksi Tween80:llä käsitelty polysulfoni-ultrasuodatuskalvo vähensi suuresti kalvon pinnan saastumista BSA-liuoksen ultrasuodatuksen aikana, mikä on hyvä hoitokeino kalvon pinnan saastumisen vähentämiseksi.

 

04 Johtopäätös

Ultrasuodatuskalvon käytön avainongelma vesihuollon ja salaojituksen alalla on kalvon saastumisen aiheuttama virtauksen väheneminen. Tärkeimmät ultrasuodatuskalvon pintasaastumista aiheuttavat tekijät ovat: kalvomateriaalien ominaisuudet, kalvomateriaalien ja käsittelynesteen välinen yhteistyö, käsittelynesteen pitoisuus ja virtausnopeus sekä muut tekijät. Parantamalla edelleen kalvomateriaalien ominaisuuksia ja käsittelemällä järkevästi erilaisia ​​parametrien yhteensopivuutta kalvon ja käsittelynesteen välillä, tämä vaikea ongelma voidaan ratkaista tehokkaasti, jotta ultrasuodatuskalvoa voidaan käyttää laajemmin vesihuollon ja viemäröinnin alalla. Hangzhou Jiuling Technology tekee myös tulevaisuudessa lisää tutkimus- ja kehitysmenetelmiä kalvosaasteiden ratkaisussa nykytilanteen parantamiseksi.