Membrānas atdalīšanas tehnoloģija, kuras priekšrocības ir augsta efektivitāte, enerģijas taupīšana un vienkārša darbība, tiek plaši izmantota ūdens attīrīšanas, pārtikas pārstrādes, biomedicīnas un ķīmiskajā rūpniecībā. Tomēr ilgstošas darbības laikā- membrānas piesārņojums joprojām ir galvenā problēma, kas ierobežo tās veiktspēju un kalpošanas laiku. Īpaši porainām membrānām, piemēram, ultrafiltrācijai, nanofiltrācijai un reversajai osmozei, piesārņojums ne tikai samazina plūsmu un palielina enerģijas patēriņu, bet arī var radīt neatgriezeniskus membrānas elementu bojājumus. Tātad, kādi faktori ietekmē membrānas piesārņojumu? No materiāla īpašībām līdz ekspluatācijas apstākļiem šajā rakstā ir sistemātiski apskatīti seši galvenie faktori, kas ietekmē membrānas piesārņojumu, un kopā ar klasiskajām teorētiskajām formulām palīdz izprast piesārņojuma pamatcēloņus no mehānisma viedokļa.
I. Daļiņu vai šķīdinātāju izmērs un morfoloģija
Kad daļiņas vai koloīdi tuvojas membrānas virsmai, tie tiek pakļauti dažādiem spēkiem, tostarp van der Vālsa spēkiem, elektrostatiskajiem spēkiem un šķidruma bīdes spēkiem. Ja daļiņu izmērs ir mazs vai sfērisks, tās, visticamāk, veidos blīvi iesaiņotu slāni uz membrānas virsmas, izraisot bloķēšanu un neatgriezenisku piesārņojumu. Un otrādi, plūsmas lauka traucējumi vairāk ietekmē šķiedras vai dendritiskās daļiņas, kā rezultātā adsorbcija ir salīdzinoši vājāka.
Īpaši tad, kad daļiņas ir uzlādētas, jonu stiprums, lādiņa sadalījums un membrānas virsmas potenciāls šķīdumā būtiski ietekmē piesārņojuma tendenci. Piemēram, pozitīvi lādēti koloīdi, visticamāk, adsorbējas uz negatīvi lādētām membrānas virsmām, tādējādi veidojot "neitralizētu adsorbcijas slāni". Turklāt agregētie koloīdi vai polimēri ir nestabili šķidrumos un var arī agregēties un nogulsnēties bīdes spēku ietekmē, paātrinot membrānas piesārņošanu.
II. Šķīduma{1}}membrānas mijiedarbība
Mijiedarbības spēki starp izšķīdušo vielu un membrānas materiālu ir viens no vissvarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē membrānas piesārņojumu. Pamatojoties uz mehānismu, tos var iedalīt elektrostatiskajos spēkos, van der Vālsa spēkos, ūdeņraža saitēs un steriskajos traucējumos.
1. Elektrostatiskie spēki
Ja membrānas materiāla virsma satur lādētas grupas (piemēram, karboksilgrupas vai amīnu grupas), elektrostatiskā adsorbcija notiks, kad šķīdumā esošajai vielai ir pretējs lādiņš, veicinot piesārņojuma slāņa veidošanos. Un otrādi, ja membrānai un izšķīdušajai vielai ir vienāds lādiņš, elektrostatiskā atgrūšanās palīdz samazināt piesārņojumu.
2. Van der Vālsa spēki
Šī ir universāla starpmolekulāra pievilcība, ko raksturo Hamakera konstante. Van der Vālsa spēkus starp izšķīdušo vielu un membrānu var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:
Kur H11, H22 un H33 ir attiecīgi membrānas materiāla, izšķīdušās vielas un šķīduma Hamakera konstantes.
Jo mazāka ir H213 vērtība, jo vājāka ir pievilkšanās starp membrānu un izšķīdušo vielu, un jo mazāka ir tendence uz netīrumiem. Tas nozīmē, ka, izvēloties membrānas materiālus, jāizvairās no spēcīgas molekulārās pievilcības radīšanas ar izšķīdušo vielu. Piemēram, ūdens attīrīšanā membrānas materiāli ar spēcīgu hidrofilitāti un zemu virsmas enerģiju parasti ir izturīgāki pret piesārņojumu.
3. Ūdeņraža saites Ūdeņraža saites ir augstas-enerģijas ķīmiskās saites veids, kas ir īpaši svarīgas polārajām vielām. Ja organiskie savienojumi, kas satur funkcionālās grupas, piemēram, hidroksilgrupas un karboksilgrupas, nonāk saskarē ar membrānas virsmu, tie var veidot ar ūdeņraža -saistītu slāni, izraisot nopietnu piesārņojumu. Dabiskās organiskās molekulas (NOM) vai biomolekulas ir īpaši pakļautas "organiskā piesārņojuma slāņa" veidošanai uz membrānas virsmas, izmantojot ūdeņraža saiti.
4. Steriskā kavēšana Polimēriem vai biomolekulām ar garām molekulārām ķēdēm kustība membrānas porās vai uz virsmas ir telpiski ierobežota. Ja sistēmā pastāv spēcīgi steriski šķēršļi, piesārņotājiem ir grūti piekļūt membrānas virsmai, tādējādi zināmā mērā mazinot piesārņojumu.
III. Membrānas struktūra un īpašības
Membrānas strukturālās īpašības tieši nosaka tās pretapaugšanas veiktspēju. Mikroskopiski piesārņojumu ietekmē tādi parametri kā poru izmēra sadalījums, virsmas raupjums, lādiņa raksturlielumi un hidrofilitāte.
1. Poru izmērs un poru struktūra
Ultrafiltrācijas vai nanofiltrācijas membrānas ar mazāku poru izmēru ir vairāk pakļautas plūsmas samazinājumam daļiņu bloķēšanas dēļ. Ja poru lieluma sadalījums ir nevienmērīgs vai pastāv ādas defekti, piesārņojums kļūst smagāks. Tas izskaidro, kāpēc noteiktas ASV kompānijas ultrafiltrācijas membrānai, kuras poru izmērs sākotnēji bija 0,02 mikrometri, bija zems poru izmēru viendabīgums; pēdējos gados viņi ir laiduši klajā XP sērijas ultrafiltrācijas membrānas ar vienmērīgāku poru izmēru.
2. Virsmas raupjums
Rupjās membrānas virsmās ir vairāk mikroporu un rievu, viegli veidojot lokalizētas stagnācijas zonas, izraisot piesārņojošo vielu uzkrāšanos.
3. Hidrofilitāte
Hidrofilajām membrānām parasti ir zemāka virsmas enerģija un plānāks adsorbcijas slānis, kas ļauj ūdens molekulām viegli izveidot "hidratācijas plēvi" uz membrānas virsmas, tādējādi kavējot organisko vielu nogulsnēšanos. Hidrofilitāte galvenokārt ir atkarīga no membrānas saskares leņķa. Šī vērtība parasti ir norādīta importēto produktu membrānu rokasgrāmatās, uz kurām lasītāji var atsaukties, iegādājoties membrānas. Tomēr vietēji ražotu membrānu rokasgrāmatās tas ir retāk sastopams.
4. Uzlādes raksturojums
Negatīvi lādētas membrānas virsmas atgrūž negatīvi lādētus koloīdus vai daļiņas, samazinot piesārņojumu. Tomēr, ja šķīdums satur katjonus, var notikt lādiņa neitralizācija, kas izraisa pastiprinātu adsorbciju. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc augsta-sāļuma notekūdeņos membrāna nokļūst ātri.
IV. Šķīduma raksturlielumu ietekme Šķīduma ķīmiskajām īpašībām ir liela ietekme uz membrānas piesārņojumu. Tie galvenokārt ietver: (1) pH maina izšķīdušās vielas un membrānas virsmas lādiņa stāvokli, tādējādi ietekmējot elektrostatisko mijiedarbību; (2) Augsta jonu stiprība var saspiest dubultslāni, vājinot elektrostatisko atgrūšanos un atvieglojot piesārņojošo vielu adsorbciju, piemēram, ūdenī ar augstu sāļumu; (3) Temperatūras paaugstināšana samazina šķīduma viskozitāti, palielinot plūsmu īstermiņā, bet arī paātrina mijiedarbību starp organiskajām vielām un membrānu, kas ilgtermiņā var pasliktināt piesārņojumu; (4) Šķīdumā esošo organisko vielu, koloīdu un metālu jonu līdzāspastāvošās sistēmas sarežģītība var izraisīt sarežģītu piesārņojumu.
V. Membrānu fizikālās īpašības
Membrānu fizikālās īpašības ietver virsmas raupjumu, poru izmēru sadalījumu, porainību un virsmas lādiņu. Gludas membrānas virsmas ir mazāk pakļautas piesārņojumam; vienmērīgs poru lieluma sadalījums nodrošina stabilu permeāta plūsmu un lēnāku piesārņojuma slāņa veidošanos. Turklāt, ja membrānas materiāla virsma ir negatīvi uzlādēta, tā var izveidot stabilu elektrostatisko barjeru ūdenī, neļaujot tuvoties negatīvi lādētām izšķīdušajām vielām; kad lādiņš ir daļēji neitralizēts vai membrānas virsma satur hidrofobus apgabalus, tas visticamāk adsorbēs organiskās vielas.
Tāpēc membrānas struktūras optimizēšana no materiālu zinātnes viedokļa ir svarīgs virziens piesārņojuma novēršanai. Piemēram, izmantojot hidrofilās poliamīda kompozītmateriālu membrānas vai polāro grupu, piemēram, hidroksilgrupu un karboksilgrupu, ieviešana uz membrānas virsmas var ievērojami uzlabot pretapaugšanas īpašības.
VI. Darbības parametri
Membrānas sistēmas darbības parametriem ir izšķiroša nozīme piesārņojuma veidošanā. Galvenie parametri ir transmembrānas spiediena starpība (TMP), transmembrānas plūsmas ātrums (CFV) un plūsma (J).
1. Plūsma un kritiskā plūsma
Kad plūsma pārsniedz noteiktu robežu, piesārņojuma ātrums strauji palielinās. Field et al. pirmo reizi ierosināja jēdzienu "kritiskā plūsma" 1995. gadā, lai aprakstītu piesārņojuma kritisko punktu.
Kad darbības plūsma ir zem kritiskās plūsmas Jc, uz membrānas virsmas neveidosies neatgriezenisks piesārņojuma slānis; kad plūsma pārsniedz Jc, piesārņotāji ātri nogulsnējas, un laika gaitā pretestība palielinās.
Ilgstošas{0}}darbības laikā sistēmai jābūt stabilai diapazonā zem kritiskās plūsmas, kontrolējot padeves ūdens plūsmas ātrumu un transmembrānas spiediena starpību.
2. Bīdes spēks un šķidruma īpašības
Lielāki bīdes spēki palīdz noņemt piesārņojošo slāni no membrānas virsmas, bet pārmērīgi bīdes spēki var sabojāt membrānu vai palielināt enerģijas patēriņu. Tāpēc ir ļoti svarīgi izvēlēties atbilstošu plūsmas ātrumu un filtrēšanas metodes (piemēram, šķērsplūsmas filtrēšanu).
3. Temperatūra un darba spiediens
Paaugstināta temperatūra samazina šķidruma viskozitāti un palielina caurlaidības ātrumu, bet arī uzlabo izšķīdušās vielas adsorbciju. Pārāk augsts darba spiediens var sablīvēt piesārņojuma slāni, veidojot blīvāku bloķēšanas struktūru.
Kopsavilkums
Membrānas piesārņojums ir sarežģīts process, kurā iesaistīti vairāki saistīti faktori, ko ietekmē gan materiāla īpašības, gan darbības apstākļi. No mehānisma viedokļa daļiņu izmērs, virsmas lādiņš, molekulārās mijiedarbības spēki, membrānas materiāla īpašības un šķidruma dinamikas apstākļi kopīgi nosaka piesārņojuma veidošanos un attīstību. Turpmākie virzieni membrānas piesārņojuma kontrolei vairāk koncentrēsies uz: virsmas modifikāciju un membrānas materiālu funkcionālo dizainu, dinamisku darbības kontroli un kritiskās plūsmas pārvaldību, risinājumu regulēšanu un saskarnes enerģijas optimizāciju. Tikai sākot no mikroskopiskām mijiedarbībām un sistemātiski izprotot piesārņojuma mehānismu, mēs varam sasniegt augstu efektivitāti un ilgtspējību membrānu atdalīšanas procesos inženiertehniskajā praksē.
