آلية والتحكم في تلوث غشاء الترشيح الفائق
فيما يلي سوف نقدم بإيجاز آلية ونموذج تلوث غشاء الترشيح الفائق.
أظهرت نتائج الاختبار أن العوامل الرئيسية المسببة لتلوث الأغشية تشمل خصائص المواد الغشائية، والتفاعل بين المواد الغشائية والسائل المعالج، وتركيز السائل المعالج ومعدل تدفقه، وما إلى ذلك.
يمكن حل مشكلة تلوث الغشاء بشكل فعال عن طريق تحسين خصائص المواد الغشائية والتعامل بشكل معقول مع مطابقة المعلمة بين الغشاء والسائل المعالج.
01 تطبيق تكنولوجيا الأغشية في صناعة إمدادات المياه والصرف الصحي
نظرًا للتطبيق الواسع لغشاء الترشيح الفائق في مجال إمدادات المياه والصرف الصحي، فإن مقاومة الترشيح الناتجة عن تلوث الغشاء أثناء تشغيل النظام، خاصة في مجال معالجة مياه الصرف الصحي، تتزايد باستمرار، والتوهين الخطير لترشيح الغشاء التدفق هو المفتاح لعرقلة تطبيق هذه التكنولوجيا والترويج لها. تهدف هذه الورقة إلى تحسين فهم التطبيق الفعال لتكنولوجيا الأغشية في مجال إمدادات المياه والصرف الصحي من خلال تلخيص عوامل مكافحة التلوث لتجربة تلوث غشاء الترشيح الفائق.
02 آلية ونموذج التلوث بغشاء الترشيح الفائق
2.1 آلية ونموذج التلوث
من الناحية النظرية، تكون عملية امتزاز المحلول على سطح الغشاء معقدة لأنه يوجد دائمًا امتزاز تنافسي بين المذاب والمذيب أو بين مكونات الخليط الممتز (الغشاء) في عملية الامتزاز، وبالتالي فإن ايزوثرم الامتزاز ويجب حساب المحلول عن طريق قياس خط الامتزاز متساوي الحرارة الظاهر وإضافة بيانات امتزاز البخار المناسبة. ومع ذلك، في الواقع، من وجهة نظر نوعية، يمكن اعتبار أن امتزاز الغشاء إلى المذاب يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالقطبية بين الاثنين، ويميل غشاء المواد القطبية إلى امتصاص المواد القطبية بقوة، و امتصاص المواد غير القطبية أضعف بكثير. على العكس من ذلك، من المرجح أن يمتص فيلم المواد غير القطبية المواد المذابة غير القطبية.
من ناحية أخرى، ووفقا لمبدأ الذوبان المماثل، فإن المذابات القطبية تذوب بسهولة في المذيبات القطبية، في حين تذوب المذابات غير القطبية بسهولة في المذيبات غير القطبية. كلما كان ذوبانه أسهل، قل احتمال امتصاصه بواسطة سطح الغشاء. باختصار، إذا كانت قطبية المذاب أقرب إلى المذيب ومعاكسة للغشاء، فإن امتصاص المذاب على سطح الغشاء يكون أقل. من الناحية المجهرية، ترتبط صعوبة الامتزاز على سطح الغشاء واستقرار طبقة الامتزاز بقوة التفاعل بين المذاب الجزيئي الكبير وسطح الغشاء والمذاب الجزيئي الكبير. وتنقسم القوة بينهما بشكل عام إلى قوة فان دير فالس وقوة الطبقة المزدوجة.
2.1.1 قوات فان دير فالس
يمكن تحديد حجم قوة فان جوخ بين جسمين بواسطة ثابت تناسب هامكر H. بالنسبة للنظام الثلاثي للماء (1)، المذاب (2) والغشاء (3) : H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] في الصيغة 2، H11 وH22 وH33 هي ثوابت هامكر للماء والمذاب والغشاء على التوالي. انخفض الغشاء الكاره للماء H33؛ بالنسبة للمذاب الكاره للماء، انخفض H22. كلاهما يمكن أن يؤدي إلى زيادة H213، وزيادة قوة المروحة بين الغشاء والمذاب، وتفاقم تلوث سطح الغشاء. لذلك، فإن كلا من الأغشية والمواد المذابة الكارهة للماء تجعل سطح الغشاء أكثر عرضة للتلوث.
2.1.2 قوة الطبقة الكهربائية المزدوجة
عندما يكون الغشاء على اتصال بالمحلول، سيتم شحن سطح الغشاء بسبب الامتزاز الأيوني، واتجاه ثنائي القطب، ورابطة الهيدروجين وغيرها من التأثيرات، ويمكن أن تؤثر شحنة السطح على توزيع الأيونات في المحلول بالقرب من السطح: تنجذب الأيونات ذات الشحنات المختلفة إلى الشحنة السطحية وتميل إلى سطح الغشاء؛ الأيونات التي لها نفس الشحنة تتنافر مع الشحنة السطحية وتكون بعيدة عن سطح الغشاء مما يجعل الأيونات الموجبة والسالبة الموجودة في المحلول القريب من سطح الغشاء منفصلة عن بعضها البعض. وفي الوقت نفسه، فإن الحركة الحرارية تجعل الأيونات الموجبة والسالبة تميل إلى العودة إلى الخلط الموحد. وفي ظل الجمع بين هذين الاتجاهين المتعارضين، تنتشر الأيونات المتغايرة الزائدة في الوسط بالقرب من سطح الفيلم المشحون لتشكل طبقة مزدوجة. عندما تكون كهربة الغشاء هي نفس كهربة المحلول، يكون امتصاص التلوث صغيرًا. على العكس من ذلك، الامتزاز أكبر. تعتمد كمية التلوث الممتصة على سطح الغشاء على النتيجة المشتركة للقوتين المذكورتين أعلاه.
يمكن التعبير عن نموذج الامتزاز للقاذورات الغشائية بواسطة معادلة الامتزاز جيبس ومعادلة الامتزاز فريدريش. من بينها، تركز معادلة جيبس للامتزاز على علاقة الامتزاز في ظل ظروف متساوية الحرارة:
وفي حالة ارتباط حرارة الامتزاز بدرجة تغطية السطح تستخدم معادلة فريدريش:
Γ＝k×c1／n …………………………………2．2
حيث Γ هي قدرة امتصاص التلوث للفيلم لكل وحدة مساحة
k، n هو ثابت الارتباط و c هو تركيز التوازن للمحلول
03 مكافحة التلوث الغشائي
وفقًا لآلية ونموذج الامتزاز لتلوث الأغشية، يمكن التحكم في تلوث الأغشية عن طريق ضبط العوامل التالية: الخصائص المحبة للماء للمواد الغشائية؛ خصائص شحن المواد الغشائية. تركيز محلول العلاج. معدل تدفق سائل المعالجة.
في هذا البحث، تمت دراسة عوامل التأثير للأنواع الأربعة المذكورة أعلاه من تلوث الأغشية من خلال التجارب ذات الصلة، وذلك من أجل السيطرة على التغيرات في العوامل المختلفة على تلوث الأغشية.
3.1 المعدات والمواد التجريبية
تشمل المعدات المستخدمة في هذه التجربة مرشحًا فائقًا للوحة مصنوعًا ذاتيًا، وخزان سائل تغذية مصنوعًا ذاتيًا، وحمامًا مائيًا بدرجة حرارة ثابتة للغاية، ومضخة دوران قياس WZJ-II، ومقياس نظائر C14، ومقياس زنبركي كوارتز، ومقياس ارتفاع وما إلى ذلك.
المواد المستخدمة هي محلول BSA القياسي، ومحلول تخمير الكحول المُجهز، والبولي سلفون (PS)، والبولي سلفون أميد (PSA)، والبولي أكريلونيتريل (PAN) وغشاء الترشيح الفائق للوحة ألياف الأسيتات بوزن جزيئي يبلغ 30 000.
3.2 تدفق الدورة التجريبية وظروف التحكم
أولاً، يتم تصنيع غشاء الترشيح الفائق من مواد مختلفة إلى كتل وفقًا لحجم وشكل خزان الترشيح الفائق، ويتم نقعه في الماء النقي لمدة 24 ساعة، ويتم وزن الفيلم الرطب. بعد ذلك، يتم سكب محلول تخمير الكحول أو محلول BSA القياسي بتركيزات مختلفة محضرة بنفس الطريقة في خزان سائل التغذية على التوالي. ويتبع العملية دوران ثابت لدرجة الحرارة وضغط الهواء وفقًا للعملية الموضحة في الشكل 1. بعد توازن الامتزاز لغشاء الترشيح الفائق، يتم تحديد وزن كتلة الغشاء بعد توازن الامتزاز لتحديد كمية الامتزاز المتوازنة للغشاء التجريبي حاجز.
تم تحديد وزن الغشاء لمحلول BSA القياسي ومحلول تخمير الكحول بواسطة طريقة النظائر C14 وتوازن زنبرك الكوارتز ومقياس الارتفاع، على التوالي. يتم التحكم في معدل تدفق سائل التغذية عن طريق صمام تنظيم ومضخة قياس، ويتم قياسه بواسطة ساعة توقيت وأسطوانة قياس. تم قياس قيمة الرقم الهيدروجيني لمحلول تخمير الكحول بواسطة مقياس الرقم الهيدروجيني PHB -4 وضبطه بواسطة محلول 1 N HCl وNaOH على التوالي.
3.3 النتائج التجريبية ومناقشتها
3.3.1 تجربة محبة الماء للمواد الغشائية
لقد اخترنا غشاء الترشيح الفائق من ألياف خلات مادة الغشاء المحب للماء الأكثر تمثيلاً وغشاء الترشيح الفائق من مادة البولي سلفون الأكثر تمثيلاً للغشاء المسعور (PS) لإجراء تجربة مقارنة لاختبار امتصاص التوازن في محلول BSA القياسي، وقياس منحنى التوازن لتلوث الغشاء بواسطة نظير C14 كما هو موضح في الشكل 2: كما يتبين من الشكل 2، فإن قدرة الامتزاز لغشاء PS الكاره للماء لتوازن تلوث BSA تبلغ حوالي 1.0 مجم/م2، وهو ما يعادل 5 أضعاف قدرة غشاء CA المحب للماء تحت نفس الظروف، والوقت اللازم للوصول إلى قدرة الامتصاص لتوازن التلوث هو 60 دقيقة، وهو 6 أضعاف غشاء CA. يمكن ملاحظة أن الغشاء المصنوع من مواد محبة للماء يقلل من H213 بسبب زيادة هامكرها، وبالتالي يقلل من قوة المروحة بين مادة الغشاء والمذاب، ويقلل بشكل فعال من مستوى تلوث سطح الغشاء. يمكن أن نرى بوضوح من معادلة Gibbs أنه بعد تحديد المعلمات C و T و R و Γ يتغير فقط مع θ. كلما كانت الكارهة للماء للمادة أقوى، كلما زاد d (COSθ)/dC، كلما كان تلوث الغشاء أكثر خطورة.
أظهرت التجربة أن الغشاء المحب للماء يتمتع بميزة انخفاض قدرة امتصاص توازن التلوث. يتمتع الغشاء الكاره للماء بميزة الوقت الطويل للوصول إلى توازن امتصاص التلوث. لذلك، في الواقع، يعتمد غشاء الترشيح الفائق الأجنبي الحالي بشكل عام على ممارسة المواد المحبة للماء المركبة على أساس الغشاء الأساسي الكاره للماء، والذي لا يقلل فقط من تلوث سطح الغشاء، ولكن أيضًا يطيل الوقت للوصول إلى توازن امتصاص التلوث. من سطح الغشاء، مما يحسن بشكل فعال أداء غشاء الترشيح الفائق.
3.3.2 تجارب على خصائص الشحن للمواد الغشائية
لقد اخترنا فيلم PAN موجب الشحنة أكثر تمثيلاً وفيلم PAN سالب الشحنة لإجراء تجارب مقارنة. وكانت الظروف التجريبية هي: عملية ضغط الهواء؛ درجة الحرارة: 25 درجة؛ تركيز محلول التخمير: 0.333 جم / لتر؛ الرقم الهيدروجيني هو 3.5؛ معدل التدفق: 43.7 سم/دقيقة.
ويبين الجدول 1 والشكل 3 قدرة امتصاص التلوث المتوازن ومنحنى توازن الامتزاز من غشاء الترشيح الفائق بولي أكريلونيتريل المشحون إيجابيا وسلبيا (PAN) في محلول تخمير الكحول على التوالي. يمكن أن نرى من تحليل الرسم البياني أن قدرة الامتزاز المتوازنة لغشاء الترشيح الفائق PAN الموجب الشحنة أقل بكثير من قدرة غشاء PAN السالب المشحون في بيئة محلول تخمير الكحول الحمضي المشحون إيجابيًا. كلما انخفضت قيمة الرقم الهيدروجيني، كلما كانت إيجابية المحلول أقوى، كلما زاد الفرق بين قدرة امتصاص توازن التلوث للغشاءين، وعندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول قريبة من نقطة التساوي الكهربي، تقل قدرة الامتزاز للأغشية. يميل الغشاءان إلى أن يكونا متسقين ويمكن أن يصل الفرق بين أقصى قدرة امتصاص للغشاءين إلى أكثر من 75%.
يمكن ملاحظة أنه بسبب تأثير الطبقة الكهربائية المزدوجة، فإن العلاقة بين الغشاء وشحنة المحلول (قيمة الرقم الهيدروجيني) سيكون لها تأثير كبير جدًا على تلوث الغشاء. عندما تكون شحنة الغشاء هي نفس شحنة المحلول، فإن المذاب المحصور يكون عمومًا بعيدًا عن سطح الغشاء، مما يؤدي إلى تقليل التلوث. عندما تكون شحنة الغشاء معاكسة لشحنة المحلول، يتم امتصاص المذاب المحصور بسهولة وترسب على سطح الغشاء، مما يؤدي إلى زيادة التلوث.
لذلك، في معالجة إمدادات المياه والصرف الصحي، وخاصة في عملية معالجة مياه الصرف الصحي، ينبغي إيلاء اهتمام خاص لشحن سائل المعالجة (عادة ما يتم التعبير عنه بالرقم الهيدروجيني). عندما يكون سائل المعالجة حمضيًا، يتم اختيار غشاء الترشيح الفائق المشحون إيجابيًا؛ عندما يكون محلول المعالجة قلويًا، يتم اختيار غشاء الترشيح الفائق المشحون سالبًا.
3.3.3 تركيز محلول العلاج
وفقًا لمعادلة فريدريش Γ=k×c1 / n، تم اختيار أغشية الترشيح الفائق المكونة من أربع مواد، وهي polyalum (PS)، polyalum Aide (PSA)، polyacrylonitrile (PAN) وألياف الأسيتات (CA)، لتحديد التلوث المتكون في سائل تخمير الكحول بتراكيز مختلفة. وكانت الظروف التجريبية على النحو التالي: الضغط؛ عملية ضغط الهواء. درجة حرارة؛ 25 درجة؛ معدل تدفق سائل التخمير: 43.7 سم/دقيقة. وتظهر النتائج التجريبية في الجدول 2.
ومن خلال الانحدار الخطي للبيانات الواردة في الجدول 2، تم الحصول على معادلة فريدريش لقدرة الامتزاز لأربعة أنواع من التلوث الغشائي على النحو التالي:
غشاء S: Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 ……………………3．1
غشاء PSA: Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 …………………3．2
غشاء PAN: Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 …………………3．3
غشاء CA: Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 ……………………3．4
يمكن أن نرى من المعادلة أعلاه أن كمية التلوث الممتصة على سطح الفيلم ترتبط ارتباطًا مباشرًا بتركيز محلول المعالجة. كلما زاد تركيز سائل المعالجة، كلما كان تلوث سطح الغشاء أقوى. بالنسبة للفيلم المحب للماء، فإن زيادة التلوث السطحي الناجم عن تغير التركيز أكبر من زيادة تلوث الفيلم الكاره للماء. لذلك، في معالجة المياه، وخاصة في صناعة معالجة مياه الصرف الصحي، فإن استخدام تخفيف التدفق العكسي للمياه المفلترة وغيرها من الوسائل لتقليل تركيز سائل المعالجة له تأثير كبير على التحكم في تلوث سطح الفيلم والحد منه.
3.3.4 معدل تدفق سائل المعالجة
تم تحليل تأثير معدل تدفق سائل المعالجة على التلوث السطحي للغشاء من خلال تجارب امتصاص التلوث لأغشية CA وPS بمعدلات تدفق مختلفة. تين. 4 والشكل. أظهر الشكل 5 قدرة الامتزاز المتوازن لأغشية الترشيح الفائق CA وPS أثناء دوران الضغط المجوف لسائل تخمير الكحول، على التوالي، في ظل الظروف التجريبية البالغة 25 درجة. قيمة الرقم الهيدروجيني هي 3.5. يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية من مخطط البيانات: إن قدرة امتصاص التلوث المتوازن لكل من الأغشية المحبة للماء والكارهة للماء تتناسب خطيًا عكسًا مع معدل تدفق الترشيح. انخفضت نسبة امتصاص التلوث المتوازن للغشاء المحب للماء مع زيادة سرعة التدفق أكبر من نسبة الغشاء الكاره للماء.
وذلك لأن الزيادة في معدل تدفق سائل المعالجة لا تؤدي فقط إلى تقليل ظاهرة استقطاب التركيز على سطح الفيلم، وبالتالي تقليل تلوث سطح الفيلم، ولكنها تساعد أيضًا في تقليل تلوث سطح الفيلم بسبب تأثير القص سائل عالي السرعة على سطح الفيلم. وفي الوقت نفسه، فإن زيادة معدل التدفق ستؤدي أيضًا إلى زيادة تأثير التحريك الجزئي لمحلول المعالجة، وتعزيز إذابة المذاب وتقليل حدوث تلوث الغشاء.
3.3.5 طرق أخرى
بالإضافة إلى ذلك، فإن المعالجة المسبقة المناسبة لسطح الغشاء والمعالجة هي أيضًا طريقة فعالة للتحكم في تلوث سطح الغشاء. جا هاول وآخرون. استخدم طريقة تثبيت الباباياز في غشاء الترشيح الفائق لتحلل مصل اللبن المترسب على سطح الغشاء، مما أدى إلى تقليل تلوث الغشاء بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، فإن غشاء الترشيح الفائق متعدد السلفون المعالج بـ Tween80 قلل بشكل كبير من تلوث سطح الغشاء أثناء الترشيح الفائق لمحلول BSA، وهو وسيلة معالجة جيدة لتقليل تلوث سطح الغشاء.
04 الاستنتاج
المشكلة الرئيسية لتطبيق غشاء الترشيح الفائق في مجال إمدادات المياه والصرف الصحي هي انخفاض التدفق الناجم عن تلوث الغشاء. تشمل العوامل الرئيسية المسببة للتلوث السطحي لغشاء الترشيح الفائق: خصائص المواد الغشائية، والتعاون بين مواد الغشاء وسائل المعالجة، وتركيز ومعدل تدفق سائل المعالجة وعوامل أخرى. من خلال تحسين خصائص المواد الغشائية والتعامل بشكل معقول مع مطابقة المعلمات المختلفة بين الغشاء وسائل المعالجة، يمكن حل هذه المشكلة الصعبة بشكل فعال، بحيث يمكن استخدام غشاء الترشيح الفائق على نطاق أوسع في مجال إمدادات المياه والصرف الصحي. ستقوم شركة Hangzhou Jiuling Technology أيضًا بإجراء المزيد من طرق البحث والتطوير لحل مشكلة التلوث الغشائي في المستقبل لتحسين الوضع الراهن.