Технологія мембранної сепарації, яка має такі переваги, як висока ефективність, енергозбереження та простота експлуатації, широко використовується в обробці води, харчовій промисловості, біомедицині та хімічній промисловості. Однак під час тривалої-експлуатації забруднення мембрани залишається ключовою проблемою, що обмежує її продуктивність і термін служби. Особливо для пористих мембран, таких як ультрафільтрація, нанофільтрація та зворотний осмос, забруднення не тільки призводить до зменшення потоку та збільшення споживання енергії, але також може призвести до незворотного пошкодження елементів мембрани. Отже, які фактори впливають на забруднення мембрани? Від властивостей матеріалу до умов експлуатації, ця стаття систематично розглядає шість основних факторів, що впливають на забруднення мембрани, і в поєднанні з класичними теоретичними формулами допоможе вам зрозуміти основні причини забруднення з механістичної точки зору.
I. Розмір і морфологія частинок або розчинених речовин
Коли частинки або колоїди наближаються до поверхні мембрани, вони піддаються дії різних сил, включаючи сили Ван-дер-Ваальса, електростатичні сили та сили зсуву рідини. Якщо розмір частинок малий або сферичний, вони, швидше за все, утворять щільний шар на поверхні мембрани, спричиняючи закупорку та незворотне забруднення. І навпаки, волокнисті або дендритні частинки більшою мірою піддаються впливу збурень поля потоку, що призводить до відносно слабшої адсорбції.
Особливо коли частинки заряджені, іонна сила, розподіл заряду та потенціал поверхні мембрани в розчині значно впливають на тенденцію до забруднення. Наприклад, позитивно заряджені колоїди з більшою ймовірністю адсорбуються на негативно заряджених поверхнях мембран, таким чином утворюючи «нейтралізований адсорбційний шар». Крім того, агреговані колоїди або полімери нестійкі в рідинах і можуть також агрегувати та відкладатися під дією зсувних сил, прискорюючи забруднення мембрани.
II. Мембранні взаємодії-розчинених речовин
Сили взаємодії між розчиненою речовиною та матеріалом мембрани є одним із найважливіших факторів, що впливають на забруднення мембрани. За механізмом їх можна класифікувати на електростатичні сили, сили Ван-дер-Ваальса, водневі зв’язки та стеричні перешкоди.
1. Електростатичні сили
Якщо поверхня матеріалу мембрани несе заряджені групи (такі як карбоксильні або амінні групи), електростатична адсорбція відбудеться, коли розчинена речовина в розчині несе протилежний заряд, що сприяє утворенню шару забруднення. І навпаки, якщо мембрана та розчинена речовина несуть однаковий заряд, електростатичне відштовхування допомагає зменшити забруднення.
2. Сили Ван-дер-Ваальса
Це універсальне міжмолекулярне притягання, яке характеризується постійною Гамакера. Сили Ван-дер-Ваальса між розчиненою речовиною та мембраною можна розрахувати за такою формулою:
Де H11, H22 і H33 — константи Гамакера матеріалу мембрани, розчиненої речовини та розчину відповідно.
Чим менше значення H213, тим слабше тяжіння між мембраною та розчиненою речовиною, і тим менше схильність до забруднення. Це означає, що при виборі мембранних матеріалів слід уникати сильного молекулярного притягання розчиненої речовини. Наприклад, при обробці води мембранні матеріали з сильною гідрофільністю та низькою поверхневою енергією, як правило, більш стійкі до забруднення.
3. Водневий зв’язок. Водневий зв’язок – це тип високо{1}}енергетичного хімічного зв’язку, особливо важливого для полярних розчинених речовин. Коли органічні сполуки, що містять такі функціональні групи, як гідроксильні та карбоксильні групи, вступають у контакт із поверхнею мембрани, вони можуть утворювати шар, зв’язаний водневими -зв’язками, що призводить до сильного забруднення. Природні органічні молекули (NOM) або біомолекули особливо схильні до утворення «органічного шару забруднення» на поверхні мембрани через водневі зв’язки.
4. Стеричні перешкоди Для полімерів або біомолекул з довгими молекулярними ланцюгами рух всередині пор мембрани або на поверхні просторово обмежений. Коли в системі існує сильна стерична перешкода, забруднюючі речовини важко наблизитися до поверхні мембрани, таким чином певною мірою пом’якшуючи забруднення.
III. Будова та властивості мембрани
Структурні характеристики мембрани безпосередньо визначають її ефективність проти обростання. Мікроскопічно такі параметри, як розподіл пор за розміром, шорсткість поверхні, характеристики заряду та гідрофільність, впливають на забруднення.
1. Розмір пор і структура пор
Ультрафільтраційні або нанофільтраційні мембрани з меншим розміром пор більш схильні до зменшення потоку через блокування частинками. Якщо розмір пор розподілений нерівномірно або є дефекти шкіри, забруднення стає більш серйозним. Це пояснює, чому ультрафільтраційна мембрана певної американської компанії, яка спочатку номінально мала розмір пор 0,02 мікрометра, мала однорідність розміру пор; в останні роки вони випустили ультрафільтраційні мембрани серії XP з більш рівномірними розмірами пор.
2. Шорсткість поверхні
Шорсткі поверхні мембрани мають більше мікропор і канавок, легко утворюють локалізовані застійні зони, викликаючи накопичення забруднюючих речовин.
3. Гідрофільність
Гідрофільні мембрани зазвичай мають нижчу поверхневу енергію та тонший адсорбційний шар, що дозволяє молекулам води легко утворювати «гідратаційну плівку» на поверхні мембрани, тим самим перешкоджаючи осадженню органічних речовин. Гідрофільність в основному залежить від контактного кута мембрани. Це значення зазвичай вказується в інструкціях до мембран для імпортних продуктів, на які читачі можуть орієнтуватися при покупці мембран. Однак в інструкціях до мембран вітчизняного виробництва він зустрічається рідше.
4. Характеристики заряду
Негативно заряджені поверхні мембран відштовхують негативно заряджені колоїди або частинки, зменшуючи забруднення. Однак, коли розчин містить катіони, може відбутися нейтралізація заряду, що призводить до посилення адсорбції. Це одна з причин швидкого забруднення мембран у стічних водах із високою-солоністю.
IV. Вплив характеристик розчину Хімічні властивості розчину сильно впливають на забруднення мембрани. Вони в основному включають: (1) pH змінює стан заряду розчиненої речовини та поверхні мембрани, таким чином впливаючи на електростатичну взаємодію; (2) Висока іонна сила може стискати подвійний шар, послаблюючи електростатичне відштовхування та полегшуючи адсорбцію забруднюючих речовин, наприклад у воді з високою-солоністю; (3) Підвищення температури зменшує в’язкість розчину, збільшуючи потік у короткостроковій перспективі, але також прискорює взаємодію між органічною речовиною та мембраною, потенційно погіршуючи забруднення в довгостроковій перспективі; (4) Складність співіснуючої системи органічної речовини, колоїдів та іонів металу в розчині може призвести до складного забруднення.
V. Фізичні властивості мембран
Фізичні властивості мембран включають шорсткість поверхні, розподіл пор за розміром, пористість і заряд поверхні. Гладкі поверхні мембран менш схильні до забруднення; рівномірний розподіл пор за розміром забезпечує стабільний потік пермеату та уповільнення утворення шару забруднення. Крім того, якщо поверхня матеріалу мембрани негативно заряджена, вона може утворювати стабільний електростатичний бар’єр у воді, запобігаючи наближенню негативно заряджених розчинених речовин; коли заряд частково нейтралізовано або поверхня мембрани містить гідрофобні ділянки, більша ймовірність адсорбувати органічні речовини.
Тому оптимізація структури мембрани з точки зору матеріалознавства є важливим напрямком для придушення забруднення. Наприклад, використання гідрофільних поліамідних композитних мембран або введення полярних груп, таких як гідроксильні та карбоксильні групи, на поверхні мембрани може значно покращити властивості проти обростання.
VI. Робочі параметри
Робочі параметри мембранної системи відіграють вирішальну роль в утворенні забруднень. Ключові параметри включають перепад трансмембранного тиску (TMP), швидкість трансмембранного потоку (CFV) і потік (Дж).
1. Потік і критичний потік
Коли потік перевищує певну межу, швидкість забруднення різко зростає. Філд та ін. вперше запропонував концепцію «критичного потоку» в 1995 році для опису критичної точки забруднення.
Коли робочий потік нижче критичного потоку Jc, необоротний шар забруднення не утворюється на поверхні мембрани; коли потік перевищує Jc, забруднювачі швидко осідають, а опір з часом зростає.
Під час тривалої -експлуатації систему слід підтримувати стабільною в діапазоні нижче критичного потоку, контролюючи швидкість потоку живильної води та різницю трансмембранного тиску.
2. Сила зсуву та властивості рідини
Вищі сили зсуву допомагають видалити шар забруднення з поверхні мембрани, але надмірні сили зсуву можуть пошкодити мембрану або збільшити споживання енергії. Тому вибір відповідної швидкості потоку та методів фільтрації (наприклад, перехресна -фільтрація) має вирішальне значення.
3. Температура та робочий тиск
Підвищена температура зменшує в'язкість рідини та збільшує швидкість проникнення, але також посилює адсорбцію розчиненої речовини. Надмірно високий робочий тиск може ущільнити шар забруднення, утворюючи більш щільну структуру блокування.
Резюме
Забруднення мембрани – це складний процес, що включає багато взаємопов’язаних факторів, на які впливають як властивості матеріалу, так і умови експлуатації. З точки зору механіки, розмір частинок, поверхневий заряд, сили молекулярної взаємодії, властивості матеріалу мембрани та умови гідродинаміки разом визначають утворення та еволюцію забруднення. Майбутні напрямки контролю засмічення мембрани більше зосереджуватимуться на: модифікації поверхні та функціональному дизайні мембранних матеріалів, динамічному контролі роботи та управлінні критичним потоком, регулюванні розчину та оптимізації міжфазної енергії. Лише починаючи з мікроскопічних взаємодій і систематично розуміючи механізм забруднення, ми можемо досягти високої ефективності та стійкості процесів мембранного розділення в інженерній практиці.