Після забруднення мембрани необхідна чистка для відновлення її працездатності. Хоча методи очищення, запропоновані різними виробниками мембран, відрізняються, основний принцип в основному однаковий: видалення забруднень з поверхні мембрани та пор за допомогою фізичних, хімічних і біологічних засобів, таким чином відновлюючи потік і селективність мембрани. У цій статті систематизовано представлені основні способи та показники ефективності очищення мембран для фахівців водопідготовки.
I. Огляд методів очищення мембран
Методи очищення мембран загалом можна розділити на три категорії: фізичне очищення, хімічне очищення та біологічне очищення. Кожен з них має свої особливості і може використовуватися окремо або в комплексі.
1. Фізичне очищення
Фізичне очищення в основному включає зворотне промивання, гідравлічне промивання, ультразвукове очищення та механічне очищення. Ці методи покладаються на механічну або гідравлічну дію для видалення забруднень, що прилипли до поверхні мембрани. Це не-хімічні методи, прості в процесі, дешеві та завдають мінімальної шкоди матеріалу мембрани, що часто робить їх кращим методом очищення. Поширені фізичні методи очищення включають зворотне промивання, промивання під низьким-тиском або високим-тиском, а також деякі менш поширені методи фізичного очищення, такі як ультразвукове очищення та очищення електричним полем.
Зворотне промивання передбачає застосування зворотного тиску, щоб натиснути чисту воду в пори мембрани з боку пермеату, видаляючи забруднення, що прилипли до поверхні мембрани та всередині пор. Цей метод особливо ефективний для мембран з порожнистим волокном, таких як ультрафільтраційні або нанофільтраційні мембрани з порожнистим волокном.
Під час промивання під -низьким або високим{1}}тиском використовується бічна швидкість потоку для впливу на поверхню мембрани, видаляючи нещільні відкладення.
Ультразвукові хвилі створюють кавітацію в рідинах; мікроструменеві потоки, що виникають під час вибуху бульбашок, ефективно впливають на поверхню мембрани, розпушуючи та видаляючи шар забруднення. Цей метод підходить для автономного видалення міцно прикріплених органічних або колоїдних забруднень.
Очищення електричним полем застосовує імпульсні електричні поля до обох кінців мембранного модуля, використовуючи електроосмос і електрохімічні реакції для видалення забруднень. Це нова технологія регенерації мембран.
Фізична чистка проста в експлуатації, недорога та екологічно чиста; однак його ефективність обмежена для сильно адгезивних органічних речовин і неорганічних шарів накипу. Тому його часто використовують разом з хімічним очищенням.
2. Хімічне очищення. Хімічне очищення необхідне, коли фізичне очищення неефективне. Хімічне очищення — це процес, у якому використовуються хімічні агенти для розчинення, комплексування, окислення або омилення забруднень усередині та поза порами мембрани, викликаючи структурні зміни або перетворення на розчинні речовини, таким чином відновлюючи ефективність мембрани. За властивостями використовуваних засобів хімічну чистку можна розділити на такі категорії:
(1) Промивання кислотою
Кислотне промивання в основному використовується для видалення неорганічної накипу та забруднень оксидом металу. Зазвичай використовувані агенти включають соляну кислоту, азотну кислоту, фосфорну кислоту та лимонну кислоту. Кислоти можуть реагувати з оксидами металів з утворенням розчинних солей, тим самим видаляючи відкладений шар. Наприклад, соляна кислота може ефективно видаляти неорганічні накипи, такі як карбонат кальцію та гідроксид заліза, тоді як лимонна кислота є більш м’якою та підходить для систем, чутливих до мембранних матеріалів.
(2) Лужне промивання
Лужна мийка в основному використовується для видалення органічних забруднень, жиру та білкових забруднень. Зазвичай використовувані агенти включають NaOH, Na₂CO3, Na3PO₄ та EDTA. У лужних умовах органічні речовини можуть бути омилені, білки денатуровані або мікробні пластівці розкладені. Наприклад, розчин NaOH може ефективно видаляти білкові забруднення.
(3) Окислювальне очищення
Окислювачі, такі як гіпохлорит натрію, перекис водню та пероцтова кислота, є сильними окислювачами, які можуть окисляти органічні забруднювачі до малих водо-розчинних молекул. Вони зменшують адгезію забруднюючих речовин шляхом розриву їхніх хімічних зв’язків, карбоксильних груп або аміногруп. Вони зазвичай використовуються для дезінфекції та видалення органічного мембранного накипу, але слід зазначити, що деякі мембрани (такі як ароматичні поліамідні мембрани зворотного осмосу) чутливі до окислювачів.
(4) Очищення ПАР
Поверхнево-активні речовини, такі як Triton X-100 і додецилбензолсульфонат натрію (SDBS), можуть емульгувати жири та білки та диспергувати тверді забруднюючі речовини. Механізм їх дії полягає у зменшенні міжфазного натягу, полегшуючи десорбцію забруднюючих речовин. Очищення поверхнево-активними речовинами є особливо ефективним для систем очищення стічних вод із вмістом нафтопродуктів або харчових продуктів.
(5) Комплексне очищення
Зазвичай використовувані комплексоутворювачі, такі як етилендіамінтетраоцтова кислота (EDTA), можуть утворювати стабільні комплекси з іонами металів, руйнуючи структуру неорганічної накипу та таким чином видаляючи металеві відкладення. Вони часто використовуються в комбінації в системах з декількома забруднювачами (такими як накип Ca²⁺-органічної кислоти) для кращих результатів. Успіх хімічного очищення тісно пов’язаний з концентрацією, температурою, часом і pH розчину для чищення. На практиці часто використовують багаторазове очищення з низькою-концентрацією, щоб мінімізувати пошкодження матеріалу мембрани.
3. Біологічне очищення Біологічне очищення використовує біокаталітичну дію ферментів або мікроорганізмів для розкладання забруднень. Наприклад, протеази можуть розщеплювати білкові забруднювачі, ліпази можуть видаляти жири, а целюлази можуть розкладати органічні мембранні накипи. Його переваги полягають у тому, що він м’який, екологічно чистий, не-токсичний і завдає мінімальної шкоди структурі мембрани; його недоліки - висока вартість і обмежена можливість застосування, і його часто використовують як доповнення до хімічного очищення.
II. Рекомендації щодо комплексного аналізу та інженерної практики
З точки зору інженерного застосування, вибір стратегій очищення мембран повинен бути всебічно визначений на основі типу забруднення, характеристик матеріалу мембрани та умов експлуатації системи.
Неорганічні забруднення від накипу: бажано кислотне промивання + комплексоутворювач;
Органічні та біологічні забруднення: лужне промивання + поверхнево-активна речовина;
Комбіноване забруднення: хімічне очищення з подальшим фізичним очищенням або альтернативними методами очищення;
Мембрани, що легко окислюються: уникайте використання сильних окислювачів.
Під час процесу очищення слід контролювати температуру (зазвичай 25–40 градусів), щоб збільшити швидкість реакції та запобігти пошкодженню мембрани. Крім того, слід звернути увагу на швидкість циркуляції та схему потоку миючого розчину, щоб забезпечити ефективне зсув хімічних агентів на поверхні мембрани. Після очищення необхідно ретельно промити, щоб запобігти вторинному забрудненню залишками агентів.
Резюме
Очищення мембрани є вирішальним кроком у стабільній роботі систем мембранної сепарації. Належний метод очищення може не тільки ефективно відновити ефективність мембрани, але й продовжити термін служби мембрани та зменшити експлуатаційні витрати. Фізичне очищення є простим і економним, хімічне очищення є ретельним і ефективним, а біологічне очищення є екологічним. Об’єднавши ці три методи, можна розробити комплексне та економічно-ефективне рішення для очищення на основі характеристик забруднення. У майбутньому з удосконаленням мембранних матеріалів і розвитком технологій очищення низьке -споживання хімікатів, автоматизоване керування та інтелектуальне очищення стануть основними напрямками. Для інженерів з очищення води оволодіння механізмами та методами оцінки очищення мембран є важливим курсом для підвищення надійності та економічності системи.