Технология мембранного разделения, обладающая преимуществами высокой эффективности, энергосбережения и простоты эксплуатации, широко используется в водоподготовке, пищевой промышленности, биомедицине и химической промышленности. Однако при длительной-эксплуатации загрязнение мембраны остается ключевой проблемой, ограничивающей ее производительность и срок службы. Особенно в случае пористых мембран, таких как ультрафильтрация, нанофильтрация и обратный осмос, загрязнение не только приводит к снижению потока и увеличению потребления энергии, но также может привести к необратимому повреждению мембранных элементов. Итак, какие факторы влияют на загрязнение мембраны? В этой статье, от свойств материала до условий эксплуатации, систематически рассматриваются шесть основных факторов, влияющих на загрязнение мембраны, и в сочетании с классическими теоретическими формулами вы можете понять коренные причины загрязнения с механистической точки зрения.
I. Размер и морфология частиц или растворенных веществ
Когда частицы или коллоиды приближаются к поверхности мембраны, они подвергаются действию различных сил, включая силы Ван-дер-Ваальса, электростатические силы и силы сдвига жидкости. Если размер частиц мал или имеет сферическую форму, они с большей вероятностью образуют плотно упакованный слой на поверхности мембраны, вызывая закупорку и необратимое засорение. И наоборот, волокнистые или дендритные частицы больше подвержены возмущениям поля потока, что приводит к относительно более слабой адсорбции.
Особенно когда частицы заряжены, ионная сила, распределение заряда и поверхностный потенциал мембраны в растворе существенно влияют на склонность к загрязнению. Например, положительно заряженные коллоиды с большей вероятностью адсорбируются на отрицательно заряженных поверхностях мембраны, образуя таким образом «нейтрализованный адсорбционный слой». Кроме того, агрегированные коллоиды или полимеры нестабильны в жидкостях, а также могут агрегироваться и откладываться под действием сдвигающих сил, ускоряя загрязнение мембраны.
II. Мембранные взаимодействия-растворенных веществ
Силы взаимодействия между растворенным веществом и материалом мембраны являются одним из наиболее важных факторов, влияющих на загрязнение мембраны. В зависимости от механизма их можно разделить на электростатические силы, силы Ван-дер-Ваальса, водородную связь и стерические затруднения.
1. Электростатические силы
Если поверхность мембранного материала несет заряженные группы (такие как карбоксильные или аминогруппы), то электростатическая адсорбция будет происходить, когда растворенное вещество в растворе несет противоположный заряд, способствуя образованию слоя загрязнения. И наоборот, если мембрана и растворенное вещество несут одинаковый заряд, электростатическое отталкивание помогает уменьшить загрязнение.
2. Силы Ван дер Ваальса.
Это универсальное межмолекулярное притяжение, характеризующееся постоянной Гамакера. Силы Ван-дер-Ваальса между растворенным веществом и мембраной можно рассчитать по следующей формуле:
Где H11, H22 и H33 — константы Гамакера материала мембраны, растворенного вещества и раствора соответственно.
Чем меньше значение H213, тем слабее притяжение между мембраной и растворенным веществом и тем ниже склонность к загрязнению. Это означает, что при выборе мембранных материалов следует избегать возникновения сильного молекулярного притяжения к растворенному веществу. Например, при очистке воды мембранные материалы с высокой гидрофильностью и низкой поверхностной энергией обычно более устойчивы к загрязнению.
3. Водородная связь Водородные связи — это тип высокоэнергетической химической связи, особенно важной для полярных растворенных веществ. Когда органические соединения, содержащие функциональные группы, такие как гидроксильные и карбоксильные группы, вступают в контакт с поверхностью мембраны, они могут образовывать слой водородных связей, что приводит к серьезному загрязнению. Природные органические молекулы (НОМ) или биомолекулы особенно склонны к образованию «слоя органического загрязнения» на поверхности мембраны за счет водородных связей.
4. Стерическое затруднение. Для полимеров или биомолекул с длинными молекулярными цепями движение внутри пор мембраны или на поверхности пространственно ограничено. Когда в системе существуют сильные стерические препятствия, загрязняющим веществам трудно достичь поверхности мембраны, что в некоторой степени снижает загрязнение.
III. Мембранная структура и свойства
Структурные характеристики мембраны напрямую определяют ее противообрастающие свойства. С микроскопической точки зрения на загрязнение влияют такие параметры, как распределение пор по размерам, шероховатость поверхности, характеристики заряда и гидрофильность.
1. Размер пор и структура пор.
Мембраны для ультрафильтрации или нанофильтрации с меньшим размером пор более склонны к снижению потока из-за закупорки частиц. Если распределение пор по размерам неравномерно или имеются дефекты оболочки, загрязнение становится более серьезным. Это объясняет, почему ультрафильтрационная мембрана одной американской компании, первоначально номинально имевшая размер пор 0,02 микрометра, имела низкую однородность размера пор; в последние годы они выпустили ультрафильтрационные мембраны серии XP с более однородными размерами пор.
2. Шероховатость поверхности
Шероховатые поверхности мембран имеют больше микропор и борозд, легко образующих локализованные застойные зоны, вызывающие накопление загрязняющих веществ.
3. Гидрофильность
Гидрофильные мембраны обычно имеют более низкую поверхностную энергию и более тонкий адсорбционный слой, что позволяет молекулам воды легко образовывать «гидратную пленку» на поверхности мембраны, тем самым препятствуя отложению органических веществ. Гидрофильность в основном зависит от угла контакта мембраны. Это значение обычно указывается в руководствах по мембранам импортной продукции, на которые читатели могут ссылаться при покупке мембран. Однако в инструкциях к мембранам отечественного производства оно встречается реже.
4. Характеристики заряда
Отрицательно заряженные поверхности мембран отталкивают отрицательно заряженные коллоиды или частицы, уменьшая загрязнение. Однако, когда раствор содержит катионы, может произойти нейтрализация заряда, что приведет к усилению адсорбции. Это одна из причин быстрого загрязнения мембраны в сточных водах с высоким-соленым содержанием.
IV. Влияние характеристик раствора Химические свойства раствора оказывают глубокое влияние на загрязнение мембраны. К ним в основном относятся: (1) pH изменяет зарядовое состояние растворенного вещества и поверхности мембраны, тем самым влияя на электростатические взаимодействия; (2) Высокая ионная сила может сжимать двойной слой, ослабляя электростатическое отталкивание и облегчая адсорбцию загрязняющих веществ, например, в воде с высокой-соленостью; (3) Повышение температуры снижает вязкость раствора, увеличивая поток в краткосрочной перспективе, но также ускоряет взаимодействие между органическим веществом и мембраной, что потенциально ухудшает загрязнение в долгосрочной перспективе; (4) Сложность сосуществующей системы органического вещества, коллоидов и ионов металлов в растворе может привести к комплексному загрязнению.
V. Физические свойства мембран.
Физические свойства мембран включают шероховатость поверхности, распределение пор по размерам, пористость и поверхностный заряд. Гладкие поверхности мембран менее склонны к загрязнению; Равномерное распределение пор по размерам приводит к стабильному потоку пермеата и более медленному образованию слоя загрязнения. Кроме того, если поверхность мембранного материала отрицательно заряжена, она может образовывать в воде стабильный электростатический барьер, предотвращающий приближение отрицательно заряженных растворенных веществ; когда заряд частично нейтрализован или поверхность мембраны содержит гидрофобные участки, она с большей вероятностью адсорбирует органические вещества.
Поэтому оптимизация структуры мембраны с точки зрения материаловедения является важным направлением предотвращения загрязнения. Например, использование гидрофильных полиамидных композитных мембран или введение на поверхность мембраны полярных групп, таких как гидроксильные и карбоксильные группы, может значительно улучшить противообрастающие свойства.
VI. Рабочие параметры
Решающую роль в образовании загрязнений играют рабочие параметры мембранной системы. Ключевые параметры включают перепад трансмембранного давления (TMP), скорость трансмембранного потока (CFV) и поток (J).
1. Поток и критический поток
Когда поток превышает определенный предел, скорость загрязнения резко возрастает. Филд и др. впервые предложил концепцию «критического потока» в 1995 году для описания критической точки загрязнения.
При рабочем потоке ниже критического потока Jc на поверхности мембраны не образуется необратимый слой загрязнения; когда поток превышает Jc, загрязняющие вещества быстро осаждаются, и сопротивление со временем увеличивается.
Во время длительной-работы систему следует поддерживать стабильной в диапазоне ниже критического потока, контролируя скорость потока питательной воды и перепад трансмембранного давления.
2. Сила сдвига и свойства жидкости.
Более высокие усилия сдвига помогают удалить слой загрязнения с поверхности мембраны, но чрезмерные силы сдвига могут повредить мембрану или увеличить потребление энергии. Поэтому выбор соответствующих скоростей потока и методов фильтрации (например, перекрестной-фильтрации) имеет решающее значение.
3. Температура и рабочее давление
Повышенная температура снижает вязкость жидкости и увеличивает скорость проникновения, но также увеличивает адсорбцию растворенных веществ. Чрезмерно высокое рабочее давление может уплотнить слой загрязнения, образуя более плотную засоряющую структуру.
Краткое содержание
Загрязнение мембраны — это сложный процесс, включающий множество взаимосвязанных факторов, на которые влияют как свойства материала, так и условия эксплуатации. С механистической точки зрения размер частиц, поверхностный заряд, силы молекулярного взаимодействия, свойства материала мембраны и условия гидродинамики в совокупности определяют образование и развитие загрязнения. Будущие направления борьбы с загрязнением мембран будут сосредоточены на: модификации поверхности и функциональном дизайне мембранных материалов, динамическом управлении работой и управлении критическим потоком, регулировании раствора и оптимизации межфазной энергии. Только начав с микроскопических взаимодействий и систематически понимая механизм загрязнения, мы можем достичь высокой эффективности и устойчивости процессов мембранного разделения в инженерной практике.