Ultrafiltrasyon Membran Kirliliğinin Mekanizması ve Kontrolü

Aşağıda ultrafiltrasyon membran kirliliğinin mekanizması ve modeli kısaca tanıtılacaktır.

Test sonuçları, membran kirliliğine neden olan ana faktörlerin membran malzemelerinin özelliklerini, membran malzemeleri ile arıtılmış sıvı arasındaki etkileşimi, arıtılmış sıvının konsantrasyonu ve akış hızını vb. içerdiğini göstermektedir.

Membran tıkanması sorunu, membran malzemelerinin özelliklerinin iyileştirilmesi ve membran ile arıtılmış sıvı arasındaki parametre eşleşmesinin makul bir şekilde ele alınmasıyla etkili bir şekilde çözülebilir.

 

01 Membran teknolojisinin su temini ve drenaj endüstrisinde uygulanması

 

Su temini ve drenaj alanında ultrafiltrasyon membranının geniş uygulaması nedeniyle, özellikle atık su arıtma alanında sistemin çalışması sırasında membran kirliliğinin neden olduğu filtrasyon direnci sürekli artmakta ve membran filtrasyonunda ciddi zayıflamalar meydana gelmektedir. Flux, bu teknolojinin uygulanmasını ve tanıtımını engelleyen anahtardır. Bu makale, ultrafiltrasyon membran kirliliği deneyinin kirlilik kontrol faktörlerini özetleyerek, membran teknolojisinin su temini ve drenaj alanında etkin uygulamasının anlaşılmasını geliştirmeyi amaçlamaktadır.

 

02 Ultrafiltrasyon membran kirliliğinin mekanizması ve modeli

 

2.1 Kirliliğin mekanizması ve modeli

Teorik olarak konuşursak, çözeltinin membran yüzeyindeki adsorpsiyon süreci karmaşıktır çünkü adsorpsiyon işleminde çözünen madde ile solvent arasında veya adsorban karışımının (membran) bileşenleri arasında her zaman rekabetçi bir adsorpsiyon vardır, dolayısıyla adsorpsiyon izotermi çözüm, görünen izotermal adsorpsiyon çizgisinin ölçülmesi ve uygun buhar adsorpsiyon verilerinin eklenmesiyle hesaplanmalıdır. Bununla birlikte, aslında niteliksel bir bakış açısından, zarın çözünen maddeye adsorpsiyonunun, ikisi arasındaki polariteyle yakından ilişkili olduğu ve polar malzemelerin zarının, polar maddeleri güçlü bir şekilde adsorbe etme eğiliminde olduğu düşünülebilir. polar olmayan maddelerin adsorpsiyonu çok daha zayıftır. Aksine, polar olmayan malzemelerden oluşan filmin, polar olmayan çözünen maddeleri adsorbe etme olasılığı daha yüksektir.

Öte yandan, benzer çözünürlük ilkesine göre, polar çözünenler polar çözücülerde kolayca çözünürken, polar olmayan çözünenler polar olmayan çözücülerde kolayca çözünür. Çözünmesi ne kadar kolay olursa, membran yüzeyi tarafından adsorbe edilme olasılığı da o kadar az olur. Özetle, çözünenin polaritesi çözücüye daha yakın ve membrana zıt ise, çözünenin membran yüzeyindeki adsorpsiyonu daha az olur. Mikroskobik açıdan bakıldığında, membran yüzeyinde adsorpsiyonun zorluğu ve adsorpsiyon katmanının stabilitesi, makromoleküler çözünen, membran yüzeyi ve makromoleküler çözünen arasındaki etkileşim kuvveti ile ilgilidir. Aralarındaki kuvvet genellikle van der Waals kuvveti ve çift katmanlı kuvvet olarak ikiye ayrılır.

 

2.1.1 Van der Waals kuvvetleri

İki cisim arasındaki Van Gogh kuvvetinin boyutu, Hamaker orantı sabiti H ile karakterize edilebilir. Su (1), çözünen madde (2) ve zardan (3) oluşan üçlü sistem için: H213=[H111/{ Formül 2'deki {5}} (H22 ×H33) 1/4], H11, H22 ve H33 sırasıyla suyun, çözünen maddenin ve zarın Hamaker sabitleridir. Hidrofobik membran H33 azaldı; Hidrofobik çözünen madde için H22 azaldı. Her ikisi de H213'ün artmasına, membran ile çözünen madde arasındaki Fan kuvvetinin artmasına ve membran yüzeyinin kirlenmesinin artmasına neden olabilir. Bu nedenle hem hidrofobik membranlar hem de çözünen maddeler, membran yüzeyini kirlenmeye karşı daha duyarlı hale getirir.

 

2.1.2 Çift elektrik katmanının kuvveti

Membran çözeltiyle temas ettiğinde, iyonik adsorpsiyon, dipol oryantasyonu, hidrojen bağı ve diğer etkiler nedeniyle membranın yüzeyi yüklenecektir ve yüzey yükü, yüzeye yakın çözeltideki iyon dağılımını etkileyebilir: farklı yüklere sahip iyonlar yüzey yükü tarafından çekilir ve zarın yüzeyine doğru yönelir; Aynı yüke sahip iyonlar yüzey yükü tarafından itilir ve membran yüzeyinden uzakta bulunur, bu da membran yüzeyine yakın çözeltideki pozitif ve negatif iyonların birbirinden ayrılmasına neden olur. Aynı zamanda termal hareket, pozitif ve negatif iyonların düzgün karışıma dönme eğilimi göstermesini sağlar. Bu iki zıt eğilimin birleşimi altında, aşırı heterosign iyonlar, yüklü filmin yüzeyine yakın ortamda çift katman oluşturacak şekilde yayılır. Membranın elektrifikasyonu çözeltinin elektrifikasyonuyla aynı olduğunda kirlilik adsorpsiyonu küçüktür. Aksine adsorpsiyon daha büyüktür. Membran yüzeyinde adsorbe edilen kirlilik miktarı, yukarıdaki iki kuvvetin birleşik sonucuna bağlıdır.

 

Membran kirlenmesinin adsorpsiyon modeli Gibbs adsorpsiyon denklemi ve Fredrich adsorpsiyon denklemi ile ifade edilebilir. Bunlar arasında Gibbs adsorpsiyon denklemi, izotermal koşullar altında adsorpsiyon ilişkisine odaklanır:

Adsorpsiyon ısısının yüzey kaplama derecesine bağlı olması durumunda Friedrich denklemi kullanılır:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Burada Γ filmin birim alan başına kirlilik adsorpsiyon kapasitesidir

k, n korelasyon sabitidir ve c çözeltinin denge konsantrasyonudur

 

03 Membran kirliliği kontrolü

Membran kirliliğinin mekanizması ve adsorpsiyon modeline göre, membran kirliliği aşağıdaki faktörlerin ayarlanmasıyla kontrol edilebilir: membran malzemelerinin hidrofilik özellikleri; Membran malzemelerinin yüklenme özellikleri; Arıtma çözeltisinin konsantrasyonu; Tedavi sıvısının akış hızı.

Bu yazıda, membran kirliliği üzerindeki çeşitli faktörlerdeki değişikliklerin kontrolünü sağlamak amacıyla, yukarıdaki dört tür membran kirliliğinin etki faktörleri ilgili deneyler yoluyla incelenmiştir.

 

3.1 Deneysel ekipman ve malzemeler

Bu deneyde kullanılan ekipman, kendi kendine yapılan plaka ultrafiltre, kendi kendine yapılan besleme sıvısı tankı, süper sabit sıcaklıkta su banyosu, WZJ-II ölçümlü sirkülasyon pompası, C14 izotop ölçer, kuvars yaylı tartı, yükseklik ölçer vb. içerir.

Kullanılan malzemeler standart BSA çözeltisi, hazırlanmış alkol fermantasyon çözeltisi, polisülfon (PS), polisülfon amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) ve molekül ağırlığı 30,000 olan asetat fiber plakalı ultrafiltrasyon membranıdır.

 

3.2 Deneysel çevrim akışı ve kontrol koşulları

Öncelikle çeşitli malzemelerden oluşan ultrafiltrasyon membranı, ultrafiltrasyon tankının boyutuna ve şekline göre bloklar haline getirilerek 24 saat saf suda bekletilir ve ıslak filmin ağırlığı tartılır. Daha sonra besleme sıvısı tankına sırasıyla alkol fermantasyon çözeltisi veya aynı yöntemle hazırlanan farklı konsantrasyonlardaki standart BSA çözeltisi dökülür. İşlemi Şekil 1'de gösterilen işleme göre sabit sıcaklık ve hava basıncı sirkülasyonu takip eder. Ultrafiltrasyon membranının adsorpsiyon dengesi sağlandıktan sonra, deneysel membranın denge adsorpsiyon miktarını belirlemek için membran bloğunun adsorpsiyon dengesinden sonraki ağırlığı belirlenir. engellemek.

Standart BSA çözeltisinin ve alkol fermantasyon çözeltisinin membran ağırlığı sırasıyla C14 izotop yöntemi ve kuvars yaylı terazi ve yükseklik ölçer kullanılarak belirlendi. Besleme sıvısının akış hızı, ayar vanası ve ölçüm pompası ile kontrol edilir ve kronometre ve ölçüm silindiri ile ölçülür. Alkol fermantasyon çözeltisinin pH değeri PHB-4 pH metre ile ölçüldü ve sırasıyla 1 N HCl ve NaOH çözeltileri ile ayarlandı.

 

3.3 Deneysel sonuçlar ve tartışma

3.3.1 Membran malzemelerinin hidrofilikliği üzerine deney

Standart BSA çözeltisinde karşılaştırmalı bir denge adsorpsiyon testi deneyi yapmak ve ölçülen membran kirliliğinin denge eğrisini yürütmek için en temsili hidrofilik membran malzemesi asetat fiber ultrafiltrasyon membranını (CA) ve en temsili hidrofobik membran malzemesi polisülfon ultrafiltrasyon membranını (PS) seçtik. Şekil 2'de C14 izotopu gösterilmiştir: Şekil 2'den görülebileceği gibi, hidrofobik PS membranın BSA kirlilik dengesi için adsorpsiyon kapasitesi yaklaşık 1.0mg/m2'dir, bu da hidrofilik CA membranın 5 katıdır. Aynı koşullar altında kirlilik dengesinin adsorpsiyon kapasitesine ulaşma süresi 60 dakikadır, bu da CA membranının 6 katıdır. Hidrofilik malzemelerden yapılmış membranın, Hamaker'ının artması nedeniyle H213'ü azalttığı, böylece membran malzemesi ile çözünen madde arasındaki Fan kuvvetini azalttığı ve membran yüzeyinin kirlilik seviyesini etkili bir şekilde azalttığı görülebilir. Gibbs denkleminden C, T, R ve Γ parametrelerinin belirlenmesinden sonra Γ'nin yalnızca θ ile değiştiği açıkça görülmektedir. Malzemenin hidrofobikliği ne kadar güçlü olursa, d (COSθ)/dC ne kadar büyük olursa membran kirliliği de o kadar ciddi olur.
 

Deney, hidrofilik membranın düşük kirlilik dengesi adsorpsiyon kapasitesi avantajına sahip olduğunu gösterdi. Hidrofobik membran, kirlilik adsorpsiyonunun dengesine ulaşmak için uzun süre avantajına sahiptir. Bu nedenle, aslında, mevcut yabancı ultrafiltrasyon membranı genellikle hidrofobik baz membranı esas alan kompozit hidrofilik malzemelerin uygulamasını benimser; bu, yalnızca membran yüzeyinin kirliliğini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda kirliliğin adsorpsiyon dengesine ulaşma süresini de uzatır. Ultrafiltrasyon membranının performansını etkili bir şekilde artıran membran yüzeyinin.

 

3.3.2 Membran malzemelerinin yüklenme özellikleri üzerine deneyler

Karşılaştırmalı deneyler yapmak için daha temsili bir pozitif yüklü PAN filmi ve negatif yüklü bir PAN filmi seçtik. Deneysel koşullar şunlardı: hava basıncıyla çalışma; Sıcaklık: 25 derece; Fermantasyon çözeltisi konsantrasyonu: 0.333 g/L; pH 3,5'tir; Akış hızı: 43,7 cm/dak.

Tablo 1 ve Şekil 3, alkol fermantasyon çözeltisindeki pozitif yüklü ve negatif yüklü poliakrilonitril ultrafiltrasyon membranının (PAN) sırasıyla denge kirliliği adsorpsiyon kapasitesini ve adsorpsiyon denge eğrisini göstermektedir. Diyagram analizinden, pozitif yüklü PAN ultrafiltrasyon membranının denge adsorpsiyon kapasitesinin, asidik pozitif yüklü alkol fermantasyon çözeltisi ortamında negatif yüklü PAN membranından çok daha düşük olduğu görülebilir. PH değeri ne kadar düşük olursa, çözeltinin pozitifliği o kadar güçlü olur, iki membranın kirlilik dengesi adsorpsiyon kapasitesi arasındaki fark o kadar büyük olur ve çözeltinin pH değeri izoelektrik noktaya yakın olduğunda, membranın adsorpsiyon kapasitesi artar. iki membran tutarlı olma eğilimindedir ve iki membranın maksimum adsorpsiyon kapasitesi arasındaki fark %75'in üzerine çıkabilir.

Çift elektrik katmanının etkisi nedeniyle membran ile çözelti yükü (pH değeri) arasındaki ilişkinin membran kirliliği üzerinde çok büyük bir etkiye sahip olacağı görülmektedir. Membranın yükü çözeltinin yüküyle aynı olduğunda, tutulan çözünen madde genellikle membran yüzeyinden uzakta olur ve bu da daha az kirliliğe neden olur. Membranın yükü çözeltinin yüküne zıt olduğunda, tutulan çözünen madde kolaylıkla adsorbe edilir ve membran yüzeyinde birikerek daha fazla kirliliğe neden olur.

Bu nedenle, su temini ve drenaj arıtmasında, özellikle atık su arıtma prosesinde, arıtma sıvısının (genellikle pH olarak ifade edilir) doldurulmasına özel dikkat gösterilmelidir. Arıtma sıvısı asidik olduğunda pozitif yüklü ultrafiltrasyon membranı seçilir; Arıtma çözeltisi alkali olduğunda negatif yüklü ultrafiltrasyon membranı seçilir.

 

3.3.3 Arıtma solüsyonunun konsantrasyonu

Fredrich denklemi Γ=k×c1 / n'ye göre, polialum (PS), polialum amid (PSA), poliakrilonitril (PAN) ve asetat fiber (CA) olmak üzere dört malzemeden ultrafiltrasyon membranları seçildi. farklı konsantrasyonlardaki alkol fermantasyon sıvısında oluşan kirlilik. Deneysel koşullar aşağıdaki gibidir: basınç; Hava basıncı çalışması; Sıcaklık; 25 derece; Fermantasyon sıvısı akış hızı: 43,7 cm/dak. Deney sonuçları Tablo 2'de gösterilmektedir.

Tablo 2'deki verilerin doğrusal regresyonu yoluyla, dört tür membran kirliliğinin adsorpsiyon kapasitesinin Fredrich denklemi şu şekilde elde edildi:

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

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

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

CA membranı:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
Yukarıdaki denklemden, film yüzeyindeki kirliliğin adsorpsiyon miktarının doğrudan arıtma çözeltisinin konsantrasyonuyla ilişkili olduğu görülebilmektedir. Arıtma sıvısının konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, membran yüzeyinin kirliliği o kadar güçlü olur. Hidrofilik film için konsantrasyon değişikliğinin neden olduğu yüzey kirliliğindeki artış, hidrofobik film kirliliğindeki artıştan daha fazladır. Bu nedenle, su arıtmada, özellikle kanalizasyon arıtma endüstrisinde, filtrelenmiş suyun geri akış seyreltilmesinin ve arıtma sıvısının konsantrasyonunu azaltmaya yönelik diğer araçların kullanılması, film yüzeyinin kirliliğinin kontrol edilmesi ve azaltılması üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.

 

3.3.4 Arıtma sıvısının akış hızı

Arıtma sıvısının akış hızının membranın yüzey kirliliği üzerindeki etkisi, farklı akış hızlarında CA ve PS membranların kirlilik adsorpsiyon deneyleri yoluyla analiz edildi. İNCİR. 4 ve ŞEK. Şekil 5, 25 derecelik deneysel koşullar altında sırasıyla alkol fermantasyon sıvısının içi boş basınç sirkülasyonu sırasında CA ve PS ultrafiltrasyon membranlarının denge adsorpsiyon kapasitesini göstermektedir. PH değeri 3,5'tir. Veri diyagramından aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir: Hem hidrofilik hem de hidrofobik membranların denge kirliliği adsorpsiyon kapasitesi, filtratın akış hızıyla doğrusal olarak ters orantılıdır. Akış hızının artmasıyla hidrofilik membranın denge kirliliği adsorpsiyonunun oranı, hidrofobik membranınkinden daha büyüktü.

Bunun nedeni, arıtma sıvısının akış hızındaki artışın, yalnızca film yüzeyindeki konsantrasyon polarizasyon olayını azaltmaya, dolayısıyla film yüzeyi kirliliğini azaltmaya yardımcı olmakla kalmayıp, aynı zamanda film yüzeyindeki kayma etkisinden dolayı film yüzeyi kirliliğini de azaltmaya yardımcı olmasıdır. Film yüzeyinde yüksek hızlı sıvı. Aynı zamanda akış hızının artması, arıtma çözeltisinin mikro karıştırma etkisini de artıracak, çözünen maddenin çözünmesini teşvik edecek ve membran kirliliğinin oluşumunu azaltacaktır.

 

3.3.5 Diğer Yöntemler

Ayrıca membran yüzeyinin uygun şekilde ön arıtılması ve arıtılması da membran yüzeyinin kirliliğini kontrol etmede etkili bir yöntemdir. JA Howell ve ark. Membran yüzeyinde biriken peynir altı suyunu ayrıştırmak için ultrafiltrasyon membranında papayazın sabitlenmesi yöntemini kullandı, bu da membran kirliliğini büyük ölçüde azalttı. Ek olarak, Tween80 ile işlenmiş polisülfon ultrafiltrasyon membranı, BSA çözeltisinin ultrafiltrasyonu sırasında membran yüzeyi kirliliğini büyük ölçüde azalttı; bu, membran yüzeyi kirliliğini azaltmak için iyi bir arıtma aracıdır.

 

04 Sonuç

Ultrafiltrasyon membranının su temini ve drenaj alanında uygulanmasındaki temel sorun, membran kirliliğinden kaynaklanan akı azalmasıdır. Ultrafiltrasyon membranının yüzey kirliliğine neden olan ana faktörler şunlardır: membran malzemelerinin özellikleri, membran malzemeleri ve arıtma sıvısı arasındaki işbirliği, arıtma sıvısının konsantrasyonu ve akış hızı ve diğer faktörler. Membran malzemelerinin özelliklerinin daha da geliştirilmesi ve membran ile arıtma sıvısı arasındaki çeşitli parametre eşleşmesinin makul bir şekilde ele alınmasıyla bu zor problem etkili bir şekilde çözülebilir, böylece ultrafiltrasyon membranı su temini ve drenaj alanında daha yaygın olarak kullanılabilir. Hangzhou Jiuling Technology, statükoyu iyileştirmek için gelecekte membran kirliliğinin çözümünde daha fazla araştırma ve geliştirme yöntemi de yapacak.