مکانیسم و کنترل آلودگی غشای اولترافیلتراسیون

Oct 25, 2024

در ادامه مکانیسم و مدل آلودگی غشای اولترافیلتراسیون به اختصار معرفی خواهد شد.

نتایج آزمایش نشان می دهد که عوامل اصلی ایجاد کننده آلودگی غشا شامل خواص مواد غشایی، برهمکنش بین مواد غشایی و مایع تیمار شده، غلظت و سرعت جریان مایع تصفیه شده و غیره می باشد.

مشکل رسوب غشایی را می توان با بهبود خواص مواد غشایی و مدیریت منطقی تطابق پارامتر بین غشا و مایع تصفیه شده به طور موثر حل کرد.

با توجه به کاربرد گسترده غشای اولترافیلتراسیون در زمینه تامین و زهکشی آب، مقاومت فیلتراسیون ناشی از آلودگی غشایی در حین کار سیستم، به ویژه در زمینه تصفیه فاضلاب، به طور مداوم در حال افزایش است و باعث کاهش جدی فیلتراسیون غشایی می شود. شار کلیدی است که مانع کاربرد و ترویج این فناوری می شود. هدف این مقاله بهبود درک کاربرد موثر فناوری غشایی در زمینه تامین آب و زهکشی با خلاصه کردن عوامل کنترل آلودگی آزمایش آلودگی غشاء اولترافیلتراسیون است.

از نظر تئوری، فرآیند جذب محلول در سطح غشا پیچیده است زیرا همیشه جذب رقابتی بین املاح و حلال یا بین اجزای مخلوط جاذب (غشاء) در فرآیند جذب وجود دارد، بنابراین ایزوترم جذب راه حل باید با اندازه گیری خط جذب همدما ظاهری و اضافه کردن داده های جذب بخار مناسب محاسبه شود. با این حال، در واقع، از دیدگاه کیفی، می توان در نظر گرفت که جذب غشاء به املاح ارتباط تنگاتنگی با قطبیت بین این دو دارد و غشای مواد قطبی تمایل به جذب شدید مواد قطبی دارد و جذب مواد غیر قطبی بسیار ضعیف تر است. برعکس، فیلم مواد غیر قطبی بیشتر املاح غیر قطبی را جذب می کند.

از طرف دیگر، بر اساس اصل حلالیت مشابه، املاح قطبی به راحتی در حلال های قطبی حل می شوند، در حالی که املاح غیر قطبی به راحتی در حلال های غیر قطبی حل می شوند. هر چه راحتتر حل شود، احتمال جذب آن توسط سطح غشا کمتر می شود. به طور خلاصه، اگر قطبیت املاح به حلال نزدیکتر و مخالف غشاء باشد، جذب املاح در سطح غشا کمتر است. از نقطه نظر میکروسکوپی، دشواری جذب در سطح غشاء و پایداری لایه جذب به نیروی برهمکنش بین املاح ماکرومولکولی، سطح غشاء و املاح ماکرومولکولی مرتبط است. نیروی بین آنها به طور کلی به نیروی واندروالس و نیروی دو لایه تقسیم می شود.

اندازه نیروی ون گوگ بین دو جسم را می توان با ثابت تناسب هاماکر H مشخص کرد. برای سیستم سه تایی آب (1)، املاح (2) و غشاء (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] در فرمول 2، H11، H22 و H33 به ترتیب ثابت هاماکر آب، املاح و غشاء هستند. غشای آبگریز، H33 کاهش یافته است. برای املاح آبگریز، H22 کاهش یافت. هر دوی آنها می توانند منجر به افزایش H213، افزایش نیروی فن بین غشا و املاح و تشدید آلودگی سطح غشا شوند. بنابراین، هم غشاهای آبگریز و هم املاح، سطح غشاء را در معرض آلودگی بیشتر قرار می دهند.

هنگامی که غشاء در تماس با محلول است، سطح غشا به دلیل جذب یونی، جهت گیری دوقطبی، پیوند هیدروژنی و سایر اثرات باردار می شود و بار سطحی می تواند بر توزیع یون در محلول نزدیک به سطح تأثیر بگذارد: یون های با بارهای مختلف توسط بار سطحی جذب می شوند و به سطح غشاء تمایل دارند. یون های دارای بار یکسان توسط بار سطحی دفع می شوند و از سطح غشاء دور هستند که باعث می شود یون های مثبت و منفی موجود در محلول نزدیک سطح غشا از یکدیگر جدا شوند. در عین حال، حرکت حرارتی باعث می شود یون های مثبت و منفی تمایل به بازگشت به اختلاط یکنواخت داشته باشند. تحت ترکیب این دو روند متضاد، یون های هتروسین اضافی در محیط نزدیک سطح فیلم باردار پخش می شوند تا یک لایه دوتایی تشکیل دهند. هنگامی که الکتریسیته غشاء با محلول یکسان است، جذب آلودگی کم است. برعکس، جذب بیشتر است. میزان آلودگی جذب شده روی سطح غشا به نتیجه ترکیبی دو نیروی فوق بستگی دارد.

مدل جذب رسوب غشایی را می توان با معادله جذب گیبس و معادله جذب فردریش بیان کرد. در میان آنها، معادله جذب گیبس بر رابطه جذب تحت شرایط همدما تمرکز دارد:

در صورتی که گرمای جذب با درجه پوشش سطح مرتبط باشد، از معادله فردریش استفاده می شود:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

جایی که، Γ ظرفیت جذب آلودگی فیلم در واحد سطح است

k، n ثابت همبستگی و c غلظت تعادلی محلول است

با توجه به مکانیسم و مدل جذب آلودگی غشا، آلودگی غشا را می توان با تنظیم عوامل زیر کنترل کرد: خواص آبدوستی مواد غشایی. خواص شارژ مواد غشایی؛ غلظت محلول درمان؛ سرعت جریان سیال تصفیه.

در این مقاله، عوامل تأثیرگذار چهار نوع آلودگی غشایی با آزمایش‌های مربوطه مورد بررسی قرار گرفت تا کنترل تغییرات عوامل مختلف بر آلودگی غشایی بررسی شود.

تجهیزات مورد استفاده در این آزمایش شامل اولترافیلتر صفحه ای خود ساخته، مخزن مایع خوراک خود ساخته، حمام آب با دمای فوق العاده ثابت، پمپ سیرکولاسیون اندازه گیری WZJ-II، ایزوتوپ متر C14، مقیاس فنر کوارتز، ارتفاع سنج و غیره می باشد.

مواد مورد استفاده عبارتند از: محلول استاندارد BSA، محلول تخمیر الکلی آماده، پلی سولفون (PS)، پلی سولفون آمید (PSA)، پلی اکریلونیتریل (PAN) و غشای اولترافیلتراسیون صفحه فیبر استات با وزن مولکولی 30،000.

ابتدا غشای اولترافیلتراسیون از مواد مختلف با توجه به اندازه و شکل مخزن اولترافیلتراسیون به صورت بلوک در می آید و به مدت 24 ساعت در آب خالص قرار می گیرد و وزن فیلم مرطوب وزن می شود. سپس محلول تخمیر الکل یا محلول استاندارد BSA با غلظت های مختلف تهیه شده به روش مشابه به ترتیب در مخزن مایع خوراک ریخته می شود. این فرآیند با دمای ثابت و گردش فشار هوا مطابق با فرآیند نشان داده شده در شکل 1 دنبال می شود. پس از تعادل جذب غشای اولترافیلتراسیون، وزن بلوک غشا پس از تعادل جذب تعیین می شود تا مقدار جذب تعادلی غشاء آزمایشی تعیین شود. مسدود کردن

وزن غشا محلول استاندارد BSA و محلول تخمیر الکلی به ترتیب با روش ایزوتوپ C14 و تعادل فنر کوارتز و ارتفاع سنج تعیین شد. دبی مایع تغذیه با شیر تنظیم کننده و پمپ اندازه گیری کنترل می شود و توسط کرونومتر و سیلندر اندازه گیری اندازه گیری می شود. مقدار pH محلول تخمیر الکل توسط PHB{1}} اندازه‌گیری شد و به ترتیب با محلول‌های HCl 1N و NaOH تنظیم شد.

ما نماینده ترین غشای آبدوست غشای اولترافیلتراسیون فیبر استات (CA) و نماینده ترین غشای آبگریز غشای اولترافیلتراسیون پلی سولفون (PS) را برای انجام آزمایش مقایسه ای تست جذب تعادلی در محلول استاندارد BSA انتخاب کردیم و منحنی تعادل آلودگی غشا اندازه گیری شد. توسط ایزوتوپ C14 در شکل 2 نشان داده شده است: همانطور که از شکل 2 مشاهده می شود، ظرفیت جذب غشای PS آبگریز برای تعادل آلودگی BSA حدود 1.{4}}mg/m2 است که 5 برابر غشای CA آبدوست است. در شرایط مشابه و زمان رسیدن به ظرفیت جذب تعادل آلودگی 60 دقیقه است که 6 برابر غشای CA است. مشاهده می شود که غشای ساخته شده از مواد آبدوست به دلیل افزایش Hamaker آن، H213 را کاهش می دهد و در نتیجه نیروی فن بین ماده غشا و املاح را کاهش می دهد و به طور موثر سطح آلودگی سطح غشا را کاهش می دهد. از معادله گیبس به وضوح می توان دریافت که پس از تعیین پارامترهای C، T، R و، Γ فقط با θ تغییر می کند. هر چه آب گریزی ماده قوی تر باشد، d (COSθ)/dC بزرگتر باشد، آلودگی غشاء جدی تر است.

آزمایش نشان داد که غشای آبدوست از مزیت ظرفیت جذب تعادل کم آلودگی برخوردار است. غشای آبگریز دارای مزیت طولانی مدت برای رسیدن به تعادل جذب آلودگی است. بنابراین، در واقع، غشای اولترافیلتراسیون خارجی فعلی به طور کلی از مواد کامپوزیت آبدوست بر اساس غشای پایه آبگریز استفاده می کند، که نه تنها آلودگی سطح غشاء را کاهش می دهد، بلکه زمان رسیدن به تعادل جذب آلودگی را نیز افزایش می دهد. سطح غشاء، که به طور موثر عملکرد غشای اولترافیلتراسیون را بهبود می بخشد.

ما یک فیلم PAN با بار مثبت و یک فیلم PAN با بار منفی را برای انجام آزمایش‌های مقایسه انتخاب کردیم. شرایط آزمایشی عبارت بودند از: عملیات فشار هوا. دما: 25 درجه؛ غلظت محلول تخمیر: 0.333 گرم در لیتر; pH 3.5 است. سرعت جریان: 43.7 سانتی متر در دقیقه

جدول 1 و شکل 3 ظرفیت جذب تعادل آلودگی و منحنی تعادل جذب غشای اولترافیلتراسیون پلی اکریلونیتریل با بار مثبت و بار منفی (PAN) را به ترتیب در محلول تخمیر الکل نشان می دهد. از تجزیه و تحلیل نمودار می توان دریافت که ظرفیت جذب تعادلی غشای اولترافیلتراسیون PAN با بار مثبت بسیار کمتر از غشای PAN با بار منفی در محیط محلول تخمیر الکل با بار مثبت اسیدی است. هرچه مقدار pH کمتر باشد، مثبت بودن محلول قوی‌تر است، تفاوت بین ظرفیت جذب تعادلی آلودگی دو غشا بیشتر است و زمانی که مقدار pH محلول به نقطه ایزوالکتریک نزدیک باشد، ظرفیت جذب دو غشا تمایل به سازگاری دارند و اختلاف بین حداکثر ظرفیت جذب دو غشا می تواند به بیش از 75٪ برسد.

مشاهده می شود که به دلیل تأثیر لایه الکتریکی دوگانه، رابطه بین غشا و بار محلول (مقدار pH) تأثیر بسیار زیادی بر آلودگی غشا خواهد داشت. زمانی که بار غشا با محلول برابر باشد، املاح به دام افتاده معمولاً از سطح غشا دور است و در نتیجه آلودگی کمتری ایجاد می شود. هنگامی که بار غشا مخالف بار محلول باشد، املاح به دام افتاده به راحتی جذب شده و روی سطح غشا رسوب می کند و در نتیجه آلودگی بیشتری ایجاد می کند.

بنابراین، در تصفیه آب و زهکشی، به ویژه در فرآیند تصفیه فاضلاب، باید به شارژ مایع تصفیه (معمولاً با pH بیان می شود) توجه ویژه ای شود. هنگامی که مایع درمان اسیدی است، غشای اولترافیلتراسیون با بار مثبت انتخاب می شود. هنگامی که محلول تصفیه قلیایی است، غشای اولترافیلتراسیون با بار منفی انتخاب می شود.

با توجه به معادله فردریچ Γ=k×c1 / n، غشاهای اولترافیلتراسیون چهار ماده، یعنی پلی آلوم (PS)، پلی آلوم آمید (PSA)، پلی اکریلونیتریل (PAN) و فیبر استات (CA) برای تعیین انتخاب شدند. آلودگی ایجاد شده در مایع تخمیر الکل با غلظت های مختلف. شرایط آزمایش به شرح زیر بود: فشار; عملیات فشار هوا؛ دما؛ 25 درجه؛ سرعت جریان مایع تخمیر: 43.7 سانتی متر در دقیقه. نتایج تجربی در جدول 2 نشان داده شده است.

از طریق رگرسیون خطی داده های جدول 2، معادله فردریش ظرفیت جذب چهار نوع آلودگی غشایی به صورت زیر به دست آمد:

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

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

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

غشای CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ………………………3．4
از معادله بالا می توان دریافت که میزان جذب آلودگی در سطح فیلم با غلظت محلول تصفیه رابطه مستقیم دارد. هر چه غلظت مایع تصفیه بیشتر باشد، آلودگی سطح غشاء قوی تر می شود. برای فیلم آبدوست، افزایش آلودگی سطحی ناشی از تغییر غلظت بیشتر از افزایش آلودگی فیلم آبگریز است. بنابراین در تصفیه آب به ویژه در صنعت تصفیه فاضلاب استفاده از رقیق کننده جریان برگشتی آب فیلتر شده و سایر ابزارها برای کاهش غلظت مایع تصفیه تاثیر بسزایی در کنترل و کاهش آلودگی سطح فیلم دارد.

تأثیر نرخ جریان مایع تصفیه بر آلودگی سطحی غشاء از طریق آزمایش‌های جذب آلودگی غشاهای CA و PS در نرخ‌های جریان مختلف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. شکل 4 و شکل. 5 ظرفیت جذب تعادلی غشاهای اولترافیلتراسیون CA و PS را به ترتیب در طول گردش فشار توخالی مایع تخمیر الکل در شرایط تجربی 25 درجه نشان داد. مقدار pH 3.5 است. نتایج زیر را می توان از نمودار داده استخراج کرد: ظرفیت جذب تعادل آلودگی غشاهای آبدوست و آبگریز به طور خطی به طور معکوس با سرعت جریان فیلتر متناسب است. نسبت جذب آلودگی تعادلی غشای آبدوست با افزایش سرعت جریان کاهش یافت، نسبت به غشای آبگریز بیشتر بود.

این به این دلیل است که افزایش سرعت جریان مایع تصفیه نه تنها منجر به کاهش پدیده قطبش غلظت در سطح فیلم و در نتیجه کاهش آلودگی سطح فیلم می شود، بلکه به کاهش آلودگی سطح فیلم به دلیل اثر برشی نیز منجر می شود. سیال با سرعت بالا روی سطح فیلم. در عین حال، افزایش سرعت جریان نیز اثر میکرو همزن محلول تصفیه را افزایش می دهد، باعث انحلال املاح و کاهش وقوع آلودگی غشاء می شود.

علاوه بر این، پیش تصفیه مناسب سطح غشا و تصفیه نیز روشی موثر برای کنترل آلودگی سطح غشا است. JA Howell و همکاران. از روش تثبیت پاپایاز در غشای اولترافیلتراسیون برای تجزیه آب پنیر ته نشین شده روی سطح غشا استفاده کرد که آلودگی غشاء را تا حد زیادی کاهش داد. علاوه بر این، غشای اولترافیلتراسیون پلی سولفون تیمار شده با Tween80 تا حد زیادی آلودگی سطح غشاء را در طول اولترافیلتراسیون محلول BSA کاهش داد، که یک روش درمانی خوب برای کاهش آلودگی سطح غشاء است.

مشکل اصلی استفاده از غشای اولترافیلتراسیون در زمینه تامین و زهکشی آب، کاهش شار ناشی از آلودگی غشا است. عوامل اصلی ایجاد آلودگی سطحی غشای اولترافیلتراسیون عبارتند از: خواص مواد غشایی، همکاری بین مواد غشایی و مایع تصفیه، غلظت و سرعت جریان مایع تصفیه و عوامل دیگر. با بهبود بیشتر خواص مواد غشایی و مدیریت منطقی تطابق پارامترهای مختلف بین غشا و مایع تصفیه، می توان این مشکل دشوار را به طور موثر حل کرد، به طوری که غشای اولترافیلتراسیون می تواند به طور گسترده در زمینه تامین آب و زهکشی استفاده شود. فناوری Hangzhou Jiuling همچنین روش‌های تحقیق و توسعه بیشتری را در راه حل آلودگی غشایی در آینده برای بهبود وضعیت موجود ایجاد خواهد کرد.

یک جفت: فرآیند تصفیه پایین دست واکسن اسهال خوک

بعدی: فناوری غیرفعال سازی و حذف ویروس فرآورده های خونی