Mecanismo y control de la contaminación de la membrana de ultrafiltración.
A continuación se presentará brevemente el mecanismo y el modelo de contaminación de la membrana de ultrafiltración.
Los resultados de las pruebas muestran que los principales factores que causan la contaminación de las membranas incluyen las propiedades de los materiales de las membranas, la interacción entre los materiales de las membranas y el líquido tratado, la concentración y el caudal del líquido tratado, etc.
El problema de la contaminación de las membranas se puede resolver eficazmente mejorando las propiedades de los materiales de las membranas y manejando razonablemente la coincidencia de parámetros entre la membrana y el líquido tratado.
01 Aplicación de la tecnología de membranas en la industria del suministro y drenaje de agua.
Debido a la amplia aplicación de la membrana de ultrafiltración en el campo del suministro y drenaje de agua, la resistencia a la filtración causada por la contaminación de la membrana durante el funcionamiento del sistema, especialmente en el campo del tratamiento de aguas residuales, aumenta constantemente y la grave atenuación de la filtración por membrana El flujo es la clave para dificultar la aplicación y promoción de esta tecnología. Este artículo tiene como objetivo mejorar la comprensión de la aplicación efectiva de la tecnología de membranas en el campo del suministro y drenaje de agua al resumir los factores de control de la contaminación del experimento de contaminación por membranas de ultrafiltración.
02 Mecanismo y modelo de contaminación de membranas de ultrafiltración.
2.1 Mecanismo y modelo de contaminación.
Teóricamente hablando, el proceso de adsorción de la solución en la superficie de la membrana es complicado porque siempre hay adsorción competitiva entre el soluto y el solvente o entre los componentes de la mezcla adsorbente (membrana) en el proceso de adsorción, por lo que la isoterma de adsorción de la solución debe calcularse midiendo la línea de adsorción isotérmica aparente y sumando los datos de adsorción de vapor apropiados. Sin embargo, de hecho, desde un punto de vista cualitativo, se puede considerar que la adsorción de la membrana al soluto está estrechamente relacionada con la polaridad entre los dos, y la membrana de materiales polares tiende a adsorber fuertemente sustancias polares, y la La adsorción de sustancias no polares es mucho más débil. Por el contrario, es más probable que la película de materiales no polares adsorba solutos no polares.
Por otro lado, según el principio de solubilidad similar, los solutos polares se disuelven fácilmente en disolventes polares, mientras que los solutos no polares se disuelven fácilmente en disolventes no polares. Cuanto más fácil sea disolverlo, es menos probable que sea absorbido por la superficie de la membrana. En resumen, si la polaridad del soluto es más cercana al disolvente y opuesta a la membrana, la adsorción del soluto en la superficie de la membrana es menor. Desde el punto de vista microscópico, la dificultad de la adsorción en la superficie de la membrana y la estabilidad de la capa de adsorción están relacionadas con la fuerza de interacción entre el soluto macromolecular, la superficie de la membrana y el soluto macromolecular. La fuerza entre ellos generalmente se divide en fuerza de Van der Waals y fuerza de doble capa.
2.1.1 Fuerzas de Van der Waals
El tamaño de la fuerza de Van Gogh entre dos cuerpos se puede caracterizar mediante la constante de proporcionalidad de Hamaker H. Para el sistema ternario de agua (1), soluto (2) y membrana (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] en la fórmula 2, H11, H22 y H33 son las constantes de Hamaker del agua, soluto y membrana, respectivamente. La membrana hidrofóbica, H33 disminuyó; Para el soluto hidrofóbico, el H22 disminuyó. Ambos pueden provocar un aumento de H213, aumentar la fuerza del ventilador entre la membrana y el soluto y agravar la contaminación de la superficie de la membrana. Por lo tanto, tanto las membranas hidrofóbicas como los solutos hacen que la superficie de la membrana sea más susceptible a la contaminación.
2.1.2 Fuerza de doble capa eléctrica
Cuando la membrana está en contacto con la solución, la superficie de la membrana se cargará debido a la adsorción iónica, la orientación dipolar, el enlace de hidrógeno y otros efectos, y la carga superficial puede afectar la distribución de iones en la solución cerca de la superficie: los iones con diferentes cargas son atraídos por la carga superficial y tienden a la superficie de la membrana; Los iones con la misma carga son repelidos por la carga superficial y están lejos de la superficie de la membrana, lo que hace que los iones positivos y negativos en la solución cerca de la superficie de la membrana se separen entre sí. Al mismo tiempo, el movimiento térmico hace que los iones positivos y negativos tiendan a volver a mezclarse uniformemente. Bajo la combinación de estas dos tendencias opuestas, el exceso de iones heterosignos se difunde en el medio cerca de la superficie de la película cargada para formar una doble capa. Cuando la electrificación de la membrana es la misma que la de la solución, la adsorción de contaminación es pequeña. Por el contrario, la adsorción es mayor. La cantidad de contaminación adsorbida en la superficie de la membrana depende del resultado combinado de las dos fuerzas anteriores.
El modelo de adsorción del ensuciamiento de la membrana se puede expresar mediante la ecuación de adsorción de Gibbs y la ecuación de adsorción de Fredrich. Entre ellas, la ecuación de adsorción de Gibbs se centra en la relación de adsorción en condiciones isotérmicas:
En el caso de que el calor de adsorción esté relacionado con el grado de cobertura de la superficie, se utiliza la ecuación de Friedrich:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Donde, Γ es la capacidad de adsorción de contaminación de la película por unidad de área.
k, n es la constante de correlación y c es la concentración de equilibrio de la solución
03 Control de la contaminación por membranas
Según el mecanismo y el modelo de adsorción de la contaminación de las membranas, la contaminación de las membranas se puede controlar ajustando los siguientes factores: propiedades hidrófilas de los materiales de las membranas; Propiedades de carga de materiales de membrana; La concentración de la solución de tratamiento; El caudal del fluido de tratamiento.
En este artículo, se estudiaron los factores de influencia de los cuatro tipos de contaminación de membranas mencionados anteriormente a través de experimentos relevantes, con el fin de buscar el control de los cambios de varios factores en la contaminación de membranas.
3.1 Equipos y materiales experimentales.
El equipo utilizado en este experimento incluye un ultrafiltro de placa de fabricación propia, un tanque de líquido de alimentación de fabricación propia, un baño de agua a temperatura súper constante, una bomba de circulación dosificadora WZJ-II, un medidor de isótopos C14, una báscula de resorte de cuarzo, un medidor de altura, etc.
Los materiales utilizados son solución BSA estándar, solución preparada de fermentación alcohólica, polisulfona (PS), polisulfona amida (PSA), poliacrilonitrilo (PAN) y membrana de ultrafiltración de placa de fibra de acetato con un peso molecular de 30,000.
3.2 Flujo del ciclo experimental y condiciones de control.
En primer lugar, la membrana de ultrafiltración de diversos materiales se convierte en bloques de acuerdo con el tamaño y la forma del tanque de ultrafiltración, se sumergen en agua pura durante 24 horas y se pesa el peso de la película húmeda. Luego, se vierte en el tanque de líquido de alimentación, respectivamente, una solución de fermentación alcohólica o una solución estándar de BSA de diferentes concentraciones preparadas mediante el mismo método. Al proceso le sigue una circulación a temperatura y presión de aire constantes según el proceso que se muestra en la Figura 1. Después del equilibrio de adsorción de la membrana de ultrafiltración, se determina el peso del bloque de membrana después del equilibrio de adsorción para determinar la cantidad de adsorción en equilibrio de la membrana experimental. bloquear.
El peso de la membrana de la solución estándar de BSA y la solución de fermentación alcohólica se determinó mediante el método del isótopo C14 y una balanza de resorte de cuarzo y un medidor de altura, respectivamente. El caudal del líquido de alimentación se controla mediante una válvula reguladora y una bomba medidora, y se mide mediante un cronómetro y un cilindro medidor. El valor del pH de la solución de fermentación alcohólica se midió con un medidor de pH PHB-4 y se ajustó con soluciones 1 N de HCl y NaOH, respectivamente.
3.3 Resultados experimentales y discusión.
3.3.1 Experimento sobre hidrofilicidad de materiales de membrana.
Seleccionamos la membrana de ultrafiltración (CA) de fibra de acetato de material de membrana hidrófila más representativa y la membrana de ultrafiltración de polisulfona (PS) de material de membrana hidrófoba más representativa para realizar un experimento comparativo de prueba de adsorción de equilibrio en una solución estándar de BSA, y se midió la curva de equilibrio de la contaminación de la membrana. por el isótopo C14 se muestra en la Figura 2: Como se puede ver en la Figura 2, la capacidad de adsorción de la membrana hidrófoba de PS para el equilibrio de contaminación BSA es aproximadamente 1,0mg/m2, que es 5 veces mayor que la de la membrana hidrófila de CA. en las mismas condiciones, y el tiempo para alcanzar la capacidad de adsorción del equilibrio de contaminación es de 60 minutos, que es 6 veces mayor que el de la membrana de CA. Se puede ver que la membrana hecha de materiales hidrófilos reduce el H213 debido al aumento de su Hamaker, reduciendo así la fuerza del ventilador entre el material de la membrana y el soluto, y reduciendo efectivamente el nivel de contaminación de la superficie de la membrana. Se puede ver claramente en la ecuación de Gibbs que después de la determinación de los parámetros C, T, R y , Γ solo cambia con θ. Cuanto más fuerte sea la hidrofobicidad del material, cuanto mayor sea d (COSθ)/dC, más grave será la contaminación de la membrana.
El experimento demostró que la membrana hidrofílica tenía la ventaja de una baja capacidad de adsorción en equilibrio de contaminación. La membrana hidrófoba tiene la ventaja de tardar mucho en alcanzar el equilibrio de adsorción de contaminación. Por lo tanto, de hecho, la membrana de ultrafiltración extranjera actual generalmente adopta la práctica de materiales hidrófilos compuestos sobre la base de una membrana base hidrófoba, lo que no solo reduce la contaminación de la superficie de la membrana, sino que también extiende el tiempo para alcanzar el equilibrio de adsorción de la contaminación. de la superficie de la membrana, lo que mejora efectivamente el rendimiento de la membrana de ultrafiltración.
3.3.2 Experimentos sobre propiedades de carga de materiales de membrana.
Seleccionamos una película PAN cargada positivamente y una película PAN cargada negativamente más representativas para realizar experimentos comparativos. Las condiciones experimentales fueron: operación con presión de aire; Temperatura: 25 grados; Concentración de la solución de fermentación: 0.333 g/L; el pH es 3,5; Caudal: 43,7 cm/min.
La Tabla 1 y la Figura 3 muestran la capacidad de adsorción de contaminación en equilibrio y la curva de equilibrio de adsorción de una membrana de ultrafiltración de poliacrilonitrilo (PAN) con carga positiva y carga negativa en una solución de fermentación de alcohol, respectivamente. Se puede ver en el análisis del diagrama que la capacidad de adsorción en equilibrio de la membrana de ultrafiltración de PAN cargada positivamente es mucho menor que la de la membrana de PAN cargada negativamente en el ambiente de una solución ácida de fermentación de alcohol cargada positivamente. Cuanto menor sea el valor de pH, más fuerte será la positividad de la solución, mayor será la diferencia entre la capacidad de adsorción del equilibrio de contaminación de las dos membranas, y cuando el valor de pH de la solución está cerca del punto isoeléctrico, la capacidad de adsorción de la Dos membranas tienden a ser consistentes y la diferencia entre la capacidad máxima de adsorción de las dos membranas puede alcanzar más del 75%.
Se puede ver que debido al efecto de la doble capa eléctrica, la relación entre la membrana y la carga de la solución (valor de pH) tendrá un impacto muy grande en la contaminación de la membrana. Cuando la carga de la membrana es la misma que la de la solución, el soluto atrapado generalmente está lejos de la superficie de la membrana, lo que resulta en una menor contaminación. Cuando la carga de la membrana es opuesta a la carga de la solución, el soluto atrapado se adsorbe fácilmente y se deposita en la superficie de la membrana, lo que produce una mayor contaminación.
Por ello, en el tratamiento de abastecimiento y drenaje de agua, especialmente en el proceso de depuración de aguas residuales, se debe prestar especial atención a la carga del líquido de tratamiento (normalmente expresado en pH). Cuando el líquido de tratamiento es ácido, se selecciona una membrana de ultrafiltración cargada positivamente; Cuando la solución de tratamiento es alcalina, se selecciona la membrana de ultrafiltración cargada negativamente.
3.3.3 Concentración de la solución de tratamiento
De acuerdo con la ecuación de Fredrich Γ=k×c1 / n, se seleccionaron membranas de ultrafiltración de cuatro materiales, a saber, polialum (PS), polialumamida (PSA), poliacrilonitrilo (PAN) y fibra de acetato (CA), para determinar las contaminaciones que se forman en el líquido de fermentación del alcohol de diferentes concentraciones. Las condiciones experimentales fueron las siguientes: presión; Operación de presión de aire; Temperatura; 25 grados; Caudal del líquido de fermentación: 43,7 cm/min. Los resultados experimentales se muestran en la Tabla 2.
Mediante regresión lineal de los datos de la Tabla 2, la ecuación de Fredrich de la capacidad de adsorción de cuatro tipos de contaminación de membrana se obtuvo de la siguiente manera:
Membrana S:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1
Membrana de 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
Se puede ver en la ecuación anterior que la cantidad de contaminación adsorbida en la superficie de la película está directamente relacionada con la concentración de la solución de tratamiento. Cuanto mayor sea la concentración del líquido de tratamiento, mayor será la contaminación de la superficie de la membrana. Para las películas hidrófilas, el aumento de la contaminación de la superficie causada por el cambio de concentración es mayor que el aumento de la contaminación de la película hidrófoba. Por lo tanto, en el tratamiento de agua, especialmente en la industria de tratamiento de aguas residuales, el uso de dilución de reflujo de agua filtrada y otros medios para reducir la concentración del líquido de tratamiento tiene un efecto significativo en el control y la reducción de la contaminación de la superficie de la película.
3.3.4 Caudal del líquido de tratamiento
La influencia del caudal del líquido de tratamiento en la contaminación de la superficie de la membrana se analizó mediante experimentos de adsorción de contaminación de membranas de CA y PS a diferentes caudales. HIGO. 4 y fig. 5 mostró la capacidad de adsorción en equilibrio de las membranas de ultrafiltración de CA y PS durante la circulación a presión hueca del líquido de fermentación alcohólica, respectivamente, en condiciones experimentales de 25 grados. El valor del pH es 3,5. Se pueden extraer las siguientes conclusiones del diagrama de datos: la capacidad de adsorción de contaminación en equilibrio de las membranas hidrófilas e hidrófobas es linealmente inversamente proporcional al caudal de filtrado. La proporción de adsorción de contaminación en equilibrio de la membrana hidrófila disminuyó con el aumento de la velocidad del flujo fue mayor que la de la membrana hidrófoba.
Esto se debe a que el aumento en el caudal del líquido de tratamiento no solo conduce a reducir el fenómeno de polarización de la concentración en la superficie de la película, reduciendo así la contaminación de la superficie de la película, sino que también conduce a reducir la contaminación de la superficie de la película debido al efecto de cizallamiento de fluido de alta velocidad en la superficie de la película. Al mismo tiempo, el aumento del caudal también aumentará el efecto de microagitación de la solución de tratamiento, promoverá la disolución del soluto y reducirá la aparición de contaminación de la membrana.
3.3.5 Otros métodos
Además, el pretratamiento y tratamiento adecuados de la superficie de la membrana también es un método eficaz para controlar la contaminación de la superficie de la membrana. JA Howell et al. utilizó el método de fijación de papayasa en la membrana de ultrafiltración para descomponer el suero depositado en la superficie de la membrana, lo que redujo en gran medida la contaminación de la membrana. Además, la membrana de ultrafiltración de polisulfona tratada con Tween80 redujo en gran medida la contaminación de la superficie de la membrana durante la ultrafiltración de la solución BSA, que es un buen medio de tratamiento para reducir la contaminación de la superficie de la membrana.
04 Conclusión
El problema clave de la aplicación de membranas de ultrafiltración en el campo del suministro y drenaje de agua es la disminución del flujo causada por la contaminación de la membrana. Los principales factores que causan la contaminación de la superficie de la membrana de ultrafiltración incluyen: las propiedades de los materiales de la membrana, la cooperación entre los materiales de la membrana y el líquido de tratamiento, la concentración y el caudal del líquido de tratamiento y otros factores. Al mejorar aún más las propiedades de los materiales de las membranas y manejar razonablemente la coincidencia de diversos parámetros entre la membrana y el líquido de tratamiento, este difícil problema puede resolverse de manera efectiva, de modo que la membrana de ultrafiltración pueda usarse más ampliamente en el campo del suministro y drenaje de agua. Hangzhou Jiuling Technology también desarrollará más métodos de investigación y desarrollo para solucionar la contaminación por membranas en el futuro para mejorar el status quo.
