Mécanisme et contrôle de la pollution des membranes d'ultrafiltration
Ce qui suit présentera brièvement le mécanisme et le modèle de pollution par membrane d’ultrafiltration.
Les résultats des tests montrent que les principaux facteurs provoquant la pollution des membranes comprennent les propriétés des matériaux membranaires, l'interaction entre les matériaux membranaires et le liquide traité, la concentration et le débit du liquide traité, etc.
Le problème de l'encrassement de la membrane peut être résolu efficacement en améliorant les propriétés des matériaux de la membrane et en gérant raisonnablement la correspondance des paramètres entre la membrane et le liquide traité.
01 Application de la technologie des membranes dans l'industrie de l'approvisionnement en eau et du drainage
En raison de la large application de la membrane d'ultrafiltration dans le domaine de l'approvisionnement en eau et du drainage, la résistance de filtration causée par la pollution de la membrane pendant le fonctionnement du système, en particulier dans le domaine du traitement des eaux usées, augmente constamment et l'atténuation sérieuse de la filtration membranaire Le flux est la clé pour entraver l’application et la promotion de cette technologie. Cet article vise à améliorer la compréhension de l'application efficace de la technologie des membranes dans le domaine de l'approvisionnement en eau et du drainage en résumant les facteurs de contrôle de la pollution de l'expérience de pollution par membrane d'ultrafiltration.
02 Mécanisme et modèle de pollution des membranes d'ultrafiltration
2.1 Mécanisme et modèle de pollution
Théoriquement parlant, le processus d'adsorption de la solution à la surface de la membrane est compliqué car il y a toujours une adsorption compétitive entre le soluté et le solvant ou entre les composants du mélange adsorbant (membrane) dans le processus d'adsorption, donc l'isotherme d'adsorption de la solution doit être calculée en mesurant la ligne d'adsorption isotherme apparente et en ajoutant les données d'adsorption de vapeur appropriées. Cependant, en fait, d'un point de vue qualitatif, on peut considérer que l'adsorption de la membrane sur le soluté est étroitement liée à la polarité entre les deux, et la membrane des matériaux polaires a tendance à adsorber fortement les substances polaires, et le l'adsorption des substances non polaires est beaucoup plus faible. Au contraire, le film de matériaux non polaires est plus susceptible d'adsorber les solutés non polaires.
D'autre part, selon le principe de solubilité similaire, les solutés polaires se dissolvent facilement dans les solvants polaires, tandis que les solutés non polaires se dissolvent facilement dans les solvants non polaires. Plus il est facile à dissoudre, moins il est susceptible d'être adsorbé par la surface de la membrane. En résumé, si la polarité du soluté est plus proche du solvant et opposée à celle de la membrane, l’adsorption du soluté à la surface de la membrane est moindre. Du point de vue microscopique, la difficulté d'adsorption sur la surface membranaire et la stabilité de la couche d'adsorption sont liées à la force d'interaction entre le soluté macromoléculaire, la surface membranaire et le soluté macromoléculaire. La force entre eux est généralement divisée en force de Van der Waals et force à double couche.
2.1.1 Forces de Van der Waals
La taille de la force de Van Gogh entre deux corps peut être caractérisée par la constante de proportionnalité de Hamaker H. Pour le système ternaire eau (1), soluté (2) et membrane (3) : H213=[H111/{ {5}} (H22 × H33) 1/4] dans la formule 2, H11, H22 et H33 sont respectivement les constantes de Hamaker de l'eau, du soluté et de la membrane. La membrane hydrophobe, H33, a diminué ; Pour le soluté hydrophobe, H22 a diminué. Les deux peuvent entraîner une augmentation du H213, augmenter la force de ventilation entre la membrane et le soluté et aggraver la pollution de la surface de la membrane. Par conséquent, les membranes hydrophobes et les solutés rendent la surface de la membrane plus sensible à la contamination.
2.1.2 Force de la double couche électrique
Lorsque la membrane est en contact avec la solution, la surface de la membrane sera chargée en raison de l'adsorption ionique, de l'orientation dipolaire, de la liaison hydrogène et d'autres effets, et la charge de surface peut affecter la distribution des ions dans la solution près de la surface : les ions de charges différentes sont attirés par la charge de surface et tendent vers la surface de la membrane ; Les ions avec la même charge sont repoussés par la charge de surface et sont éloignés de la surface de la membrane, ce qui sépare les ions positifs et négatifs de la solution près de la surface de la membrane. Dans le même temps, le mouvement thermique fait que les ions positifs et négatifs ont tendance à revenir à un mélange uniforme. Sous la combinaison de ces deux tendances opposées, les ions hétérosignes en excès se diffusent dans le milieu proche de la surface du film chargé pour former une double couche. Lorsque l’électrification de la membrane est la même que celle de la solution, l’adsorption de la pollution est faible. Au contraire, l’adsorption est plus importante. La quantité de pollution adsorbée à la surface de la membrane dépend du résultat combiné des deux forces ci-dessus.
Le modèle d'adsorption de l'encrassement de la membrane peut être exprimé par l'équation d'adsorption de Gibbs et l'équation d'adsorption de Fredrich. Parmi elles, l'équation d'adsorption de Gibbs se concentre sur la relation d'adsorption dans des conditions isothermes :
Dans le cas où la chaleur d'adsorption est liée au degré de couverture de la surface, l'équation de Friedrich est utilisée :
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
Où Γ est la capacité d’adsorption de la pollution du film par unité de surface
k, n est la constante de corrélation et c est la concentration d'équilibre de la solution
03 Dépollution membranaire
Selon le mécanisme et le modèle d'adsorption de la pollution membranaire, la pollution membranaire peut être contrôlée en ajustant les facteurs suivants : propriétés hydrophiles des matériaux membranaires ; Propriétés de charge des matériaux membranaires ; La concentration de la solution de traitement ; Le débit du fluide de traitement.
Dans cet article, les facteurs d'influence des quatre types de pollution membranaire ci-dessus ont été étudiés à travers des expériences pertinentes, afin de rechercher le contrôle des changements de divers facteurs sur la pollution membranaire.
3.1 Équipements et matériels expérimentaux
L'équipement utilisé dans cette expérience comprend un ultrafiltre à plaques fabriqué par soi-même, un réservoir de liquide d'alimentation fabriqué soi-même, un bain-marie à température super constante, une pompe de circulation doseuse WZJ-II, un compteur d'isotopes C14, une balance à ressort à quartz, un altimètre, etc.
Les matériaux utilisés sont une solution standard de BSA, une solution de fermentation alcoolique préparée, du polysulfone (PS), du polysulfone amide (PSA), du polyacrylonitrile (PAN) et une membrane d'ultrafiltration sur plaque de fibres d'acétate d'un poids moléculaire de 30,000.
3.2 Conditions de déroulement et de contrôle du cycle expérimental
Tout d'abord, la membrane d'ultrafiltration composée de divers matériaux est transformée en blocs en fonction de la taille et de la forme du réservoir d'ultrafiltration, trempée dans de l'eau pure pendant 24 heures, et le poids du film humide est pesé. Ensuite, une solution de fermentation alcoolique ou une solution standard de BSA de différentes concentrations préparées par le même procédé est versée respectivement dans le réservoir de liquide d'alimentation. Le processus est suivi d'une circulation à température et pression d'air constantes selon le processus illustré à la figure 1. Après l'équilibre d'adsorption de la membrane d'ultrafiltration, le poids du bloc de membrane après l'équilibre d'adsorption est déterminé pour déterminer la quantité d'adsorption à l'équilibre de la membrane expérimentale. bloc.
Le poids de la membrane de la solution standard de BSA et de la solution de fermentation alcoolique a été déterminé respectivement par la méthode isotopique C14 et par une balance à ressort à quartz et un altimètre. Le débit du liquide d'alimentation est contrôlé par une vanne de régulation et une pompe de mesure, et mesuré par un chronomètre et un cylindre de mesure. La valeur du pH de la solution de fermentation alcoolique a été mesurée par un pH-mètre PHB-4 et ajustée respectivement par des solutions de HCl 1 N et de NaOH.
3.3 Résultats expérimentaux et discussion
3.3.1 Expérience sur l'hydrophilie des matériaux membranaires
Nous avons sélectionné le matériau de membrane hydrophile le plus représentatif de la membrane d'ultrafiltration en fibre d'acétate (CA) et le matériau de membrane hydrophobe le plus représentatif de la membrane d'ultrafiltration en polysulfone (PS) pour mener une expérience comparative de test d'adsorption à l'équilibre dans une solution standard de BSA, et la courbe d'équilibre de la pollution membranaire mesurée par l'isotope C14 a été montré sur la figure 2 : comme le montre la figure 2, la capacité d'adsorption de la membrane hydrophobe PS pour l'équilibre de la pollution BSA est d'environ 1,0 mg/m2, soit 5 fois celle de la membrane CA hydrophile. dans les mêmes conditions, et le temps nécessaire pour atteindre la capacité d'adsorption de l'équilibre de la pollution est de 60 minutes, soit 6 fois celui de la membrane CA. On peut voir que la membrane constituée de matériaux hydrophiles réduit le H213 en raison de l'augmentation de son Hamaker, réduisant ainsi la force de ventilation entre le matériau de la membrane et le soluté et réduisant efficacement le niveau de pollution de la surface de la membrane. Il ressort clairement de l'équation de Gibbs qu'après la détermination des paramètres C, T, R et , Γ ne change qu'avec θ. Plus l'hydrophobie du matériau est forte, plus le d (COSθ)/dC est grand, plus la pollution de la membrane est grave.
L'expérience a montré que la membrane hydrophile présentait l'avantage d'une faible capacité d'adsorption à l'équilibre de la pollution. La membrane hydrophobe présente l'avantage de mettre longtemps à atteindre l'équilibre d'adsorption de la pollution. Par conséquent, en fait, la membrane d'ultrafiltration étrangère actuelle adopte généralement la pratique de matériaux composites hydrophiles sur la base d'une membrane de base hydrophobe, ce qui non seulement réduit la pollution de la surface de la membrane, mais prolonge également le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre d'adsorption de la pollution. de la surface de la membrane, ce qui améliore efficacement les performances de la membrane d'ultrafiltration.
3.3.2 Expériences sur les propriétés de charge des matériaux membranaires
Nous avons sélectionné un film PAN chargé positivement plus représentatif et un film PAN chargé négativement pour réaliser des expériences comparatives. Les conditions expérimentales étaient les suivantes : fonctionnement sous pression d’air ; Température : 25 degrés ; Concentration de la solution de fermentation : 0,333 g/L ; Le pH est de 3,5 ; Débit : 43,7 cm/min.
Le tableau 1 et la figure 3 montrent respectivement la capacité d'adsorption de la pollution à l'équilibre et la courbe d'équilibre d'adsorption d'une membrane d'ultrafiltration en polyacrylonitrile (PAN) chargée positivement et négativement dans une solution de fermentation alcoolique. L'analyse du diagramme montre que la capacité d'adsorption à l'équilibre de la membrane d'ultrafiltration PAN chargée positivement est bien inférieure à celle de la membrane PAN chargée négativement dans l'environnement d'une solution de fermentation alcoolique acide chargée positivement. Plus la valeur du pH est basse, plus la positivité de la solution est forte, plus la différence entre la capacité d'adsorption à l'équilibre de la pollution des deux membranes est grande, et lorsque la valeur du pH de la solution est proche du point isoélectrique, la capacité d'adsorption du deux membranes ont tendance à être cohérentes et la différence entre la capacité d'adsorption maximale des deux membranes peut atteindre plus de 75 %.
On peut voir qu'en raison de l'effet de la double couche électrique, la relation entre la charge de la membrane et celle de la solution (valeur du pH) aura un impact très important sur la pollution de la membrane. Lorsque la charge de la membrane est la même que celle de la solution, le soluté piégé est généralement éloigné de la surface de la membrane, ce qui entraîne moins de pollution. Lorsque la charge de la membrane est opposée à la charge de la solution, le soluté piégé est facilement adsorbé et déposé à la surface de la membrane, entraînant une plus grande pollution.
Par conséquent, dans le traitement de l’approvisionnement en eau et du drainage, en particulier dans le processus de traitement des eaux usées, une attention particulière doit être accordée au chargement du liquide de traitement (généralement exprimé en pH). Lorsque le liquide de traitement est acide, une membrane d'ultrafiltration chargée positivement est sélectionnée ; Lorsque la solution de traitement est alcaline, la membrane d'ultrafiltration chargée négativement est sélectionnée.
3.3.3 Concentration de la solution de traitement
Selon l'équation de Fredrich Γ=k×c1 / n, des membranes d'ultrafiltration de quatre matériaux, à savoir le polyalum (PS), le polyalum amide (PSA), le polyacrylonitrile (PAN) et la fibre d'acétate (CA), ont été sélectionnées pour déterminer la pollution formée dans le liquide de fermentation alcoolique de différentes concentrations. Les conditions expérimentales étaient les suivantes : pression ; Fonctionnement à pression d'air ; Température; 25 degrés ; Débit du liquide de fermentation : 43,7 cm/min. Les résultats expérimentaux sont présentés dans le tableau 2.
Par régression linéaire des données du tableau 2, l'équation de Fredrich de la capacité d'adsorption de quatre types de pollution membranaire a été obtenue comme suit :
Membrane S :Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1
Membrane PSA :Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2
Membrane PAN :Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3
Membrane CA :Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
L’équation ci-dessus montre que la quantité de pollution adsorbée sur la surface du film est directement liée à la concentration de la solution de traitement. Plus la concentration du liquide de traitement est élevée, plus la pollution de la surface de la membrane est forte. Pour le film hydrophile, l’augmentation de la pollution de surface provoquée par le changement de concentration est supérieure à l’augmentation de la pollution du film hydrophobe. Par conséquent, dans le traitement de l'eau, en particulier dans l'industrie du traitement des eaux usées, l'utilisation d'une dilution du reflux d'eau filtrée et d'autres moyens pour réduire la concentration du liquide de traitement a un effet significatif sur le contrôle et la réduction de la pollution de la surface du film.
3.3.4 Débit de liquide de traitement
L'influence du débit du liquide de traitement sur la pollution superficielle de la membrane a été analysée à travers des expériences d'adsorption de pollution de membranes CA et PS à différents débits. FIGUE. 4 et la fig. 5 montre la capacité d'adsorption à l'équilibre des membranes d'ultrafiltration CA et PS pendant la circulation sous pression creuse du liquide de fermentation alcoolique, respectivement, dans des conditions expérimentales de 25 degrés. La valeur du pH est de 3,5. Les conclusions suivantes peuvent être tirées du diagramme de données : la capacité d'adsorption de la pollution à l'équilibre des membranes hydrophiles et hydrophobes est linéairement inversement proportionnelle au débit de filtrat. La proportion d'adsorption de pollution à l'équilibre de la membrane hydrophile diminuait avec l'augmentation de la vitesse d'écoulement et était supérieure à celle de la membrane hydrophobe.
En effet, l'augmentation du débit du liquide de traitement est non seulement propice à la réduction du phénomène de polarisation de concentration sur la surface du film, réduisant ainsi la pollution de la surface du film, mais également propice à la réduction de la pollution de la surface du film due à l'effet de cisaillement de fluide à grande vitesse sur la surface du film. Dans le même temps, l'augmentation du débit augmentera également l'effet de micro-agitation de la solution de traitement, favorisera la dissolution du soluté et réduira l'apparition de pollution membranaire.
3.3.5 Autres méthodes
De plus, un prétraitement approprié de la surface de la membrane et un traitement constituent également une méthode efficace pour contrôler la pollution de la surface de la membrane. JA Howell et coll. a utilisé la méthode de fixation de la papayase dans la membrane d'ultrafiltration pour décomposer le lactosérum déposé à la surface de la membrane, ce qui a considérablement réduit la pollution de la membrane. De plus, la membrane d'ultrafiltration en polysulfone traitée avec du Tween80 a considérablement réduit la pollution de la surface de la membrane lors de l'ultrafiltration de la solution BSA, ce qui constitue un bon moyen de traitement pour réduire la pollution de la surface de la membrane.
04 Conclusion
Le problème clé de l’application de la membrane d’ultrafiltration dans le domaine de l’approvisionnement en eau et du drainage est la diminution du flux provoquée par la pollution de la membrane. Les principaux facteurs provoquant la pollution de surface de la membrane d'ultrafiltration comprennent : les propriétés des matériaux de la membrane, la coopération entre les matériaux de la membrane et le liquide de traitement, la concentration et le débit du liquide de traitement et d'autres facteurs. En améliorant davantage les propriétés des matériaux de membrane et en gérant raisonnablement les divers paramètres correspondants entre la membrane et le liquide de traitement, ce problème difficile peut être résolu efficacement, de sorte que la membrane d'ultrafiltration puisse être plus largement utilisée dans le domaine de l'approvisionnement en eau et du drainage. Hangzhou Jiuling Technology mettra également au point davantage de méthodes de recherche et de développement pour résoudre la pollution membranaire à l'avenir afin d'améliorer le statu quo.
