После загрязнения мембраны необходима очистка для восстановления ее работоспособности. Хотя методы очистки, предлагаемые разными производителями мембран, различаются, основной принцип во многом один и тот же: удаление загрязнений с поверхности и пор мембраны физическими, химическими и биологическими средствами, тем самым восстанавливая поток и селективность мембраны. В этой статье систематически будут представлены основные методы и показатели эффективности очистки мембран для специалистов по очистке воды.
I. Обзор методов очистки мембраны
Методы очистки мембран обычно можно разделить на три категории: физическая очистка, химическая очистка и биологическая очистка. Каждый из них имеет свои особенности и может использоваться индивидуально или в сочетании.
1. Физическая очистка
Физическая очистка в основном включает обратную промывку, гидравлическую промывку, ультразвуковую очистку и механическую очистку. Эти методы основаны на механическом или гидравлическом воздействии для удаления загрязнений, прилипших к поверхности мембраны. Это не-химические методы, они просты в процессе, недороги и наносят минимальный ущерб материалу мембраны, что часто делает их предпочтительным методом очистки. К распространенным методам физической очистки относятся обратная промывка, промывка под низким- или высоким-давлением, а также некоторые менее распространенные методы физической очистки, такие как ультразвуковая очистка и очистка электрическим полем.
Обратная промывка включает применение обратного давления для подачи чистой воды в поры мембраны со стороны пермеата, удаляя загрязнения, прилипшие к поверхности мембраны и внутри пор. Этот метод особенно эффективен для половолоконных мембран, таких как ультрафильтрационные или половолоконные нанофильтрационные мембраны.
При промывке низким-давлением или высоким-давлением используется боковая скорость потока, воздействующая на поверхность мембраны и удаляющая рыхлые отложения.
Ультразвуковые волны вызывают кавитацию в жидкостях; Потоки микроструй, образующиеся при разрыве пузырьков, эффективно воздействуют на поверхность мембраны, разрыхляя и удаляя слой загрязнения. Этот метод подходит для автономного удаления прочно прикрепившихся органических или коллоидных загрязнений.
Очистка электрическим полем применяет импульсные электрические поля к обоим концам мембранного модуля, используя электроосмос и электрохимические реакции для удаления загрязнений. Это новая технология регенерации мембран.
Физическая очистка проста в эксплуатации, недорога и экологически безопасна; однако его эффективность ограничена для сильно прилипающих органических веществ и слоев неорганических отложений. Поэтому его часто используют в сочетании с химической чисткой.
2. Химическая очистка Химическая очистка необходима, когда физическая очистка неэффективна. Химическая очистка — это процесс, в котором химические агенты используются для растворения, комплексообразования, окисления или омыления загрязнений внутри и снаружи пор мембраны, вызывая структурные изменения или превращения в растворимые вещества, тем самым восстанавливая рабочие характеристики мембраны. По свойствам используемых средств химическую чистку можно разделить на следующие категории:
(1) Кислотная промывка
Кислотная промывка в основном используется для удаления неорганических отложений и загрязнений оксидами металлов. Обычно используемые агенты включают соляную кислоту, азотную кислоту, фосфорную кислоту и лимонную кислоту. Кислоты могут реагировать с оксидами металлов с образованием растворимых солей, тем самым удаляя осажденный слой. Например, соляная кислота может эффективно удалять неорганические отложения, такие как карбонат кальция и гидроксид железа, тогда как лимонная кислота более щадящая и подходит для систем, чувствительных к материалам мембран.
(2) Щелочная промывка
Щелочная промывка в основном используется для удаления органических загрязнений, жиров и белковых загрязнений. Обычно используемые агенты включают NaOH, Na₂CO₃, Na₃PO₄ и ЭДТА. В щелочных условиях органические вещества могут подвергаться омылению, денатурации белков или разложению микробных хлопьев. Например, раствор NaOH может эффективно удалять белковые загрязнения.
(3) Окислительная очистка
Окислительные чистящие средства, такие как гипохлорит натрия, перекись водорода и надуксусная кислота, являются сильными окислителями, способными окислять органические загрязнители до небольших водо-растворимых молекул. Они уменьшают прилипание загрязняющих веществ за счет разрыва их химических связей, карбоксильных или аминогрупп. Их обычно используют для дезинфекции и удаления органического налета на мембранах, но следует отметить, что некоторые мембраны (например, мембраны обратного осмоса из ароматического полиамида) чувствительны к окислителям.
(4) Очистка поверхностно-активными веществами
Поверхностно-активные вещества, такие как Triton X-100 и додецилбензолсульфонат натрия (SDBS), могут эмульгировать жиры и белки и диспергировать твердые загрязняющие вещества. Механизм их действия заключается в уменьшении межфазного натяжения, что облегчает десорбцию загрязняющих веществ. Очистка поверхностно-активными веществами особенно эффективна для нефтесодержащих сточных вод или систем сточных вод пищевой промышленности.
(5) Комплексная очистка
Обычно используемые комплексообразователи, такие как этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА), могут образовывать устойчивые комплексы с ионами металлов, разрушая структуру неорганических отложений и тем самым удаляя металлические отложения. Их часто используют в сочетании с системами с несколькими загрязнителями (например, отложениями органических кислот Ca²⁺-) для достижения лучших результатов. Успех химической очистки тесно связан с концентрацией, температурой, временем и pH чистящего раствора. На практике часто используется многократная очистка с низкой-концентрацией, чтобы свести к минимуму повреждение материала мембраны.
3. Биологическая очистка. Биологическая очистка использует биокаталитическое действие ферментов или микроорганизмов для разложения загрязнений. Например, протеазы могут разлагать белковые загрязнения, липазы — удалять жиры, а целлюлазы — разлагать органические мембранные отложения. Его преимущества в том, что он мягкий, экологически чистый, не-токсичный и наносит минимальный вред структуре мембраны; его недостатками являются более высокая стоимость и ограниченная применимость, и его часто используют в качестве дополнения к химической очистке.
II. Комплексный анализ и рекомендации по инженерной практике
С точки зрения инженерного применения выбор стратегии очистки мембраны должен быть всесторонне определен на основе типа загрязнения, характеристик материала мембраны и условий эксплуатации системы.
Загрязнение неорганическими отложениями: предпочтительнее использовать кислотную промывку + комплексообразователь;
Органические и биологические загрязнения: Щелочная промывка + ПАВ;
Комбинированное загрязнение: химическая очистка с последующей физической очисткой или чередованием методов очистки;
Легко окисляемые мембраны: Избегайте использования сильных окислителей.
Во время процесса очистки следует контролировать температуру (обычно 25–40 градусов), чтобы увеличить скорость реакции и предотвратить повреждение мембраны. Кроме того, следует обратить внимание на скорость циркуляции и характер потока чистящего раствора, чтобы обеспечить эффективное смещение химических веществ на поверхности мембраны. После очистки необходимо тщательно промыть, чтобы предотвратить вторичное загрязнение остаточными веществами.
Краткое содержание
Очистка мембраны является важным шагом в стабильной работе систем мембранного разделения. Правильный метод очистки может не только эффективно восстановить эксплуатационные характеристики мембраны, но также продлить срок ее службы и снизить эксплуатационные расходы. Физическая очистка проста и экономична, химическая очистка тщательна и эффективна, а биологическая очистка экологически безопасна. Объединив эти три метода, можно разработать комплексное и экономичное-решение по очистке с учетом характеристик загрязнения. В будущем, благодаря совершенствованию мембранных материалов и развитию технологий очистки, низкое-расход химикатов, автоматизированный контроль и интеллектуальная очистка станут основным направлением. Для инженеров водоподготовки освоение механизмов и методов оценки мембранной очистки является важным курсом повышения надежности и экономичности системы.