Cơ chế và kiểm soát ô nhiễm màng siêu lọc

Oct 25, 2024

Sau đây sẽ giới thiệu ngắn gọn về cơ chế và mô hình ô nhiễm màng siêu lọc.

Kết quả thử nghiệm cho thấy các yếu tố chính gây ô nhiễm màng bao gồm tính chất của vật liệu màng, sự tương tác giữa vật liệu màng và chất lỏng được xử lý, nồng độ và tốc độ dòng chảy của chất lỏng được xử lý, v.v.

Vấn đề tắc nghẽn màng có thể được giải quyết một cách hiệu quả bằng cách cải thiện tính chất của vật liệu màng và xử lý hợp lý việc khớp thông số giữa màng và chất lỏng được xử lý.

Do ứng dụng rộng rãi của màng siêu lọc trong lĩnh vực cấp thoát nước, khả năng chống lọc do ô nhiễm màng trong quá trình vận hành hệ thống, đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải không ngừng tăng lên và sự suy giảm nghiêm trọng của quá trình lọc màng. dòng chảy chính là chìa khóa cản trở việc ứng dụng và phát huy công nghệ này. Bài viết này nhằm mục đích nâng cao sự hiểu biết về ứng dụng hiệu quả công nghệ màng trong lĩnh vực cấp thoát nước bằng cách tóm tắt các yếu tố kiểm soát ô nhiễm của thí nghiệm ô nhiễm màng siêu lọc.

Về mặt lý thuyết, quá trình hấp phụ của dung dịch trên bề mặt màng rất phức tạp do luôn có sự hấp phụ cạnh tranh giữa chất tan và dung môi hoặc giữa các thành phần của hỗn hợp chất hấp phụ (màng) trong quá trình hấp phụ, do đó đường đẳng nhiệt hấp phụ của dung dịch phải được tính toán bằng cách đo đường hấp phụ đẳng nhiệt biểu kiến và bổ sung dữ liệu hấp phụ hơi thích hợp. Tuy nhiên, trên thực tế, từ quan điểm định tính, có thể coi rằng sự hấp phụ của màng đối với chất tan có liên quan chặt chẽ đến độ phân cực giữa hai chất và màng của vật liệu phân cực có xu hướng hấp phụ mạnh các chất phân cực, và khả năng hấp phụ các chất không phân cực yếu hơn nhiều. Ngược lại, màng vật liệu không phân cực có nhiều khả năng hấp phụ các chất tan không phân cực.

Mặt khác, theo nguyên lý hòa tan tương tự, chất tan phân cực dễ tan trong dung môi phân cực, còn chất tan không phân cực dễ tan trong dung môi không phân cực. Càng dễ hòa tan thì càng ít có khả năng bị bề mặt màng hấp phụ. Tóm lại, nếu độ phân cực của chất tan càng gần dung môi và ngược với màng thì khả năng hấp phụ của chất tan trên bề mặt màng sẽ ít hơn. Từ quan điểm vi mô, độ khó hấp phụ trên bề mặt màng và tính ổn định của lớp hấp phụ có liên quan đến lực tương tác giữa chất tan cao phân tử, bề mặt màng và chất tan cao phân tử. Lực giữa chúng thường được chia thành lực van der Waals và lực hai lớp.

Độ lớn của lực Van Gogh giữa hai vật thể có thể được đặc trưng bởi hằng số tỉ lệ Hamaker H. Đối với hệ ba nước (1), chất tan (2) và màng (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] trong công thức 2, H11, H22 và H33 lần lượt là hằng số Hamaker của nước, chất tan và màng. Màng kỵ nước, H33 giảm; Đối với chất tan kỵ nước thì H22 giảm. Cả hai đều có thể dẫn đến sự gia tăng H213, tăng lực Quạt giữa màng và chất tan, đồng thời làm trầm trọng thêm tình trạng ô nhiễm bề mặt màng. Do đó, cả màng kỵ nước và chất tan đều làm cho bề mặt màng dễ bị nhiễm bẩn hơn.

Khi màng tiếp xúc với dung dịch, bề mặt màng sẽ tích điện do sự hấp phụ ion, định hướng lưỡng cực, liên kết hydro và các tác động khác, đồng thời điện tích bề mặt có thể ảnh hưởng đến sự phân bố ion trong dung dịch gần bề mặt: các ion có điện tích khác nhau bị điện tích bề mặt thu hút và có xu hướng di chuyển lên bề mặt màng; Các ion có cùng điện tích bị điện tích bề mặt đẩy lùi và ở xa bề mặt màng, điều này làm cho các ion dương và ion âm trong dung dịch gần bề mặt màng tách biệt nhau. Đồng thời, chuyển động nhiệt làm cho các ion dương và âm có xu hướng quay trở lại trạng thái trộn đều. Dưới sự kết hợp của hai xu hướng trái ngược nhau này, các ion dị dấu dư thừa sẽ được khuếch tán trong môi trường gần bề mặt của màng tích điện để tạo thành một lớp kép. Khi độ điện khí hóa của màng giống như dung dịch thì khả năng hấp phụ ô nhiễm nhỏ. Ngược lại, khả năng hấp phụ lớn hơn. Lượng ô nhiễm hấp phụ trên bề mặt màng phụ thuộc vào kết quả tổng hợp của hai lực trên.

Mô hình hấp phụ của màng bám bẩn có thể được biểu diễn bằng phương trình hấp phụ Gibbs và phương trình hấp phụ Fredrich. Trong số đó, phương trình hấp phụ Gibbs tập trung vào mối quan hệ hấp phụ trong điều kiện đẳng nhiệt:

Trong trường hợp nhiệt hấp phụ có liên quan đến mức độ bao phủ bề mặt, phương trình Friedrich được sử dụng:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Trong đó, Γ là khả năng hấp phụ ô nhiễm của màng trên một đơn vị diện tích

k, n là hằng số tương quan và c là nồng độ cân bằng của dung dịch

Theo cơ chế và mô hình hấp phụ của ô nhiễm màng, ô nhiễm màng có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh các yếu tố sau: tính chất ưa nước của vật liệu màng; Tính chất tích điện của vật liệu màng; Nồng độ của dung dịch xử lý; Tốc độ dòng chảy của chất lỏng xử lý.

Trong bài báo này, các yếu tố ảnh hưởng của bốn loại ô nhiễm màng nói trên đã được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm liên quan, nhằm tìm cách kiểm soát sự thay đổi của các yếu tố khác nhau đối với ô nhiễm màng.

Các thiết bị được sử dụng trong thí nghiệm này bao gồm tấm siêu lọc tự chế, bình chứa chất lỏng cấp liệu tự chế, bể nước nhiệt độ siêu ổn định, bơm tuần hoàn đo WZJ-II, máy đo đồng vị C14, cân lò xo thạch anh, máy đo chiều cao, v.v.

Nguyên liệu được sử dụng là dung dịch BSA tiêu chuẩn, dung dịch lên men rượu pha sẵn, polysulfone (PS), polysulfone amide (PSA), polyacrylonitrile (PAN) và màng siêu lọc dạng tấm sợi axetat có trọng lượng phân tử 30,000.

Đầu tiên, màng siêu lọc của các loại vật liệu khác nhau được chế tạo thành khối theo kích thước và hình dạng của bể siêu lọc, ngâm trong nước tinh khiết trong 24 giờ và cân trọng lượng của màng ướt. Sau đó, dung dịch lên men rượu hoặc dung dịch BSA tiêu chuẩn có nồng độ khác nhau được pha chế bằng cùng một phương pháp được đổ vào bể chứa chất lỏng thức ăn tương ứng. Tiếp theo quá trình này là nhiệt độ và áp suất không khí được tuần hoàn không đổi theo quy trình như hình 1. Sau khi màng siêu lọc cân bằng hấp phụ, trọng lượng của khối màng sau cân bằng hấp phụ được xác định để xác định lượng hấp phụ cân bằng của màng thí nghiệm khối.

Khối lượng màng của dung dịch BSA chuẩn và dung dịch lên men rượu được xác định lần lượt bằng phương pháp đồng vị C14 và cân lò xo thạch anh và máy đo chiều cao. Tốc độ dòng chảy của chất lỏng cấp liệu được kiểm soát bằng van điều chỉnh và bơm đo, đồng thời được đo bằng đồng hồ bấm giờ và xi lanh đo. Giá trị pH của dung dịch lên men rượu được đo bằng máy đo pH PHB-4 và được điều chỉnh tương ứng bằng dung dịch HCl 1N và NaOH.

Chúng tôi đã chọn màng siêu lọc sợi axetat (CA) của vật liệu màng ưa nước tiêu biểu nhất và màng siêu lọc polysulfone của vật liệu màng kỵ nước tiêu biểu nhất (PS) để tiến hành một thí nghiệm so sánh về thử nghiệm hấp phụ cân bằng trong dung dịch BSA tiêu chuẩn và đo đường cong cân bằng của ô nhiễm màng bởi đồng vị C14 được thể hiện trên Hình 2: Như có thể thấy trong Hình 2, khả năng hấp phụ của màng PS kỵ nước đối với trạng thái cân bằng ô nhiễm BSA là khoảng 1.0mg/m2, gấp 5 lần so với màng CA ưa nước trong cùng điều kiện, thời gian đạt khả năng hấp phụ cân bằng ô nhiễm là 60 phút, gấp 6 lần so với màng CA. Có thể thấy, màng làm bằng vật liệu ưa nước làm giảm H213 do tăng Hamaker của nó, từ đó làm giảm lực Fan giữa vật liệu màng và chất tan, đồng thời giảm hiệu quả mức độ ô nhiễm của bề mặt màng. Có thể thấy rõ từ phương trình Gibbs rằng sau khi xác định các tham số C, T, R và , Γ chỉ thay đổi theo θ. Tính kỵ nước của vật liệu càng mạnh thì d (COSθ)/dC càng lớn thì ô nhiễm màng càng nghiêm trọng.

Thí nghiệm cho thấy màng ưa nước có ưu điểm là khả năng hấp phụ cân bằng ô nhiễm thấp. Màng kỵ nước có ưu điểm là có thời gian dài để đạt được trạng thái cân bằng hấp phụ ô nhiễm. Do đó, trên thực tế, màng siêu lọc nước ngoài hiện nay thường áp dụng vật liệu ưa nước tổng hợp trên cơ sở màng nền kỵ nước, điều này không chỉ làm giảm ô nhiễm bề mặt màng mà còn kéo dài thời gian đạt được sự cân bằng hấp phụ của ô nhiễm. của bề mặt màng, giúp cải thiện hiệu quả hiệu suất của màng siêu lọc.

Chúng tôi đã chọn màng PAN tích điện dương tiêu biểu hơn và màng PAN tích điện âm để thực hiện các thí nghiệm so sánh. Các điều kiện thí nghiệm là: vận hành ở áp suất không khí; Nhiệt độ: 25 độ; Nồng độ dung dịch lên men: 0,333 g/L; pH là 3,5; Tốc độ dòng chảy: 43,7 cm/phút.

Bảng 1 và Hình 3 thể hiện khả năng hấp phụ ô nhiễm cân bằng và đường cong cân bằng hấp phụ của màng siêu lọc polyacrylonitrile (PAN) tích điện dương và tích điện âm trong dung dịch lên men rượu. Phân tích sơ đồ có thể thấy, khả năng hấp phụ cân bằng của màng siêu lọc PAN tích điện dương thấp hơn nhiều so với màng PAN tích điện âm trong môi trường dung dịch lên men rượu tích điện dương có tính axit. Giá trị pH càng thấp thì độ dương của dung dịch càng mạnh, sự chênh lệch giữa khả năng hấp phụ cân bằng ô nhiễm của hai màng càng lớn và khi giá trị pH của dung dịch càng gần điểm đẳng điện thì khả năng hấp phụ của dung dịch càng lớn. hai màng có xu hướng đồng nhất và chênh lệch giữa khả năng hấp phụ tối đa của hai màng có thể đạt tới hơn 75%.

Có thể thấy, do tác dụng của lớp điện kép nên mối quan hệ giữa điện tích màng và điện tích dung dịch (giá trị pH) sẽ có tác động rất lớn đến tình trạng ô nhiễm màng. Khi điện tích của màng bằng điện tích của dung dịch, chất tan bị bẫy thường ở xa bề mặt màng, dẫn đến ít ô nhiễm hơn. Khi điện tích của màng ngược với điện tích của dung dịch, chất tan bị bẫy dễ bị hấp phụ và lắng đọng trên bề mặt màng dẫn đến ô nhiễm lớn hơn.

Vì vậy, trong xử lý cấp thoát nước, đặc biệt là trong quá trình xử lý nước thải, cần đặc biệt chú ý đến việc nạp chất lỏng xử lý (thường được biểu thị bằng độ pH). Khi chất lỏng xử lý có tính axit, màng siêu lọc tích điện dương được chọn; Khi dung dịch xử lý có tính kiềm thì chọn màng siêu lọc tích điện âm.

Theo phương trình Fredrich Γ=k×c1 / n, màng siêu lọc của bốn vật liệu là polyalum (PS), polyalum amide (PSA), polyacrylonitrile (PAN) và sợi axetat (CA), đã được chọn để xác định ô nhiễm hình thành trong chất lỏng lên men rượu ở nồng độ khác nhau. Các điều kiện thí nghiệm như sau: áp suất; Vận hành áp suất không khí; Nhiệt độ; 25 độ; Tốc độ dòng chất lỏng lên men: 43,7cm/phút. Kết quả thực nghiệm được thể hiện ở Bảng 2.

Thông qua hồi quy tuyến tính của dữ liệu trong Bảng 2, phương trình Fredrich về khả năng hấp phụ của bốn loại ô nhiễm màng đã thu được như sau:

Màng S:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ……………3．1

Màng PSA:Γ＝{0}}．0463·C0．6981 …………3．2

Màng PAN:Γ＝{0}}．0453·C0．6299 …………3．3

Màng CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………3．4
Từ phương trình trên có thể thấy rằng lượng ô nhiễm hấp phụ trên bề mặt màng có liên quan trực tiếp đến nồng độ của dung dịch xử lý. Nồng độ của chất lỏng xử lý càng cao thì độ ô nhiễm trên bề mặt màng càng mạnh. Đối với màng ưa nước, mức tăng ô nhiễm bề mặt do thay đổi nồng độ lớn hơn mức tăng ô nhiễm màng kỵ nước. Do đó, trong xử lý nước, đặc biệt là trong ngành xử lý nước thải, việc sử dụng pha loãng dòng chảy ngược của nước lọc và các phương tiện khác để giảm nồng độ chất lỏng xử lý có tác dụng đáng kể trong việc kiểm soát và giảm ô nhiễm bề mặt màng.

Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy của chất lỏng xử lý đến ô nhiễm bề mặt của màng được phân tích thông qua thí nghiệm hấp phụ ô nhiễm của màng CA và PS ở các tốc độ dòng chảy khác nhau. QUẢ SUNG. 4 và HÌNH. 5 cho thấy khả năng hấp phụ cân bằng của màng siêu lọc CA và PS trong quá trình tuần hoàn áp suất rỗng của chất lỏng lên men rượu, tương ứng ở điều kiện thí nghiệm là 25 độ. Giá trị pH là 3,5. Các kết luận sau đây có thể được rút ra từ biểu đồ dữ liệu: khả năng hấp phụ ô nhiễm cân bằng của cả màng ưa nước và kỵ nước tỷ lệ tuyến tính với tốc độ dòng của dịch lọc. Tỷ lệ hấp phụ ô nhiễm cân bằng của màng ưa nước giảm khi tốc độ dòng chảy tăng lớn hơn so với màng kỵ nước.

Điều này là do việc tăng tốc độ dòng của chất lỏng xử lý không chỉ có lợi cho việc giảm hiện tượng phân cực nồng độ trên bề mặt màng, do đó làm giảm ô nhiễm bề mặt màng mà còn có lợi cho việc giảm ô nhiễm bề mặt màng do hiệu ứng cắt của chất lỏng tốc độ cao trên bề mặt màng. Đồng thời, việc tăng tốc độ dòng chảy cũng sẽ làm tăng hiệu quả khuấy vi mô của dung dịch xử lý, thúc đẩy quá trình hòa tan chất tan và giảm sự xuất hiện ô nhiễm màng.

Ngoài ra, việc tiền xử lý và xử lý bề mặt màng đúng cách cũng là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát sự ô nhiễm của bề mặt màng. JA Howell và cộng sự. đã sử dụng phương pháp cố định papyase trong màng siêu lọc để phân hủy váng sữa đọng lại trên bề mặt màng, giúp giảm đáng kể ô nhiễm màng. Ngoài ra, màng siêu lọc polysulfone được xử lý bằng Tween80 làm giảm đáng kể ô nhiễm bề mặt màng trong quá trình siêu lọc dung dịch BSA, đây là phương pháp xử lý tốt để giảm ô nhiễm bề mặt màng.

Vấn đề chính của việc ứng dụng màng siêu lọc trong lĩnh vực cấp thoát nước là sự giảm thông lượng do ô nhiễm màng. Các yếu tố chính gây ô nhiễm bề mặt màng siêu lọc bao gồm: tính chất của vật liệu màng, sự phối hợp giữa vật liệu màng và chất lỏng xử lý, nồng độ và tốc độ dòng chảy của chất lỏng xử lý và các yếu tố khác. Bằng cách cải thiện hơn nữa các tính chất của vật liệu màng và xử lý hợp lý sự phù hợp giữa các thông số khác nhau giữa màng và chất lỏng xử lý, vấn đề khó khăn này có thể được giải quyết một cách hiệu quả, nhờ đó màng siêu lọc có thể được sử dụng rộng rãi hơn trong lĩnh vực cấp thoát nước. Công nghệ Hàng Châu Jiuling cũng sẽ thực hiện nhiều phương pháp nghiên cứu và phát triển hơn về giải pháp ô nhiễm màng trong tương lai để cải thiện hiện trạng.

Một cặp: Quy trình thanh lọc hạ lưu vắc xin tiêu chảy cho lợn

Tiếp theo: Công nghệ vô hoạt và loại bỏ virus trong sản phẩm máu