Технологията за мембранно разделяне, с нейните предимства на висока ефективност, спестяване на енергия и лекота на работа, се използва широко в пречистването на вода, преработката на храни, биомедицината и химическата промишленост. Въпреки това, по време на дългосрочна-работа, замърсяването на мембраната остава ключов проблем, ограничаващ нейната ефективност и продължителност на живота. Особено за порести мембрани като ултрафилтрация, нанофилтрация и обратна осмоза, замърсяването не само води до намален поток и увеличена консумация на енергия, но също така може да причини необратимо увреждане на мембранните елементи. И така, какви фактори влияят върху замърсяването на мембраната? От свойствата на материала до работните условия, тази статия систематично прави преглед на шестте основни фактора, влияещи върху замърсяването на мембраната, и в комбинация с класическите теоретични формули ви насочва да разберете основните причини за замърсяването от механична гледна точка.
I. Размер и морфология на частиците или разтвореното вещество
Когато частици или колоиди се доближат до повърхността на мембраната, те са подложени на различни сили, включително сили на Ван дер Ваалс, електростатични сили и сили на срязване на течността. Ако размерът на частиците е малък или сферичен, е по-вероятно те да образуват плътен слой върху повърхността на мембраната, причинявайки запушване и необратимо замърсяване. Обратно, влакнестите или дендритни частици са по-засегнати от смущения в полето на потока, което води до относително по-слаба адсорбция.
Особено когато частиците са заредени, йонната сила, разпределението на заряда и повърхностният потенциал на мембраната в разтвора значително влияят на тенденцията за замърсяване. Например, положително заредените колоиди са по-склонни да се адсорбират върху отрицателно заредени мембранни повърхности, като по този начин образуват "неутрализиран адсорбционен слой". Освен това, агрегираните колоиди или полимери са нестабилни в течности и могат също така да се агрегират и отлагат под действието на срязващи сили, ускорявайки замърсяването на мембраната.
II. Мембранни-взаимодействия с разтворени вещества
Силите на взаимодействие между разтвореното вещество и материала на мембраната са един от най-важните фактори, влияещи върху замърсяването на мембраната. Въз основа на механизма те могат да бъдат категоризирани като електростатични сили, сили на Ван дер Ваалс, водородни връзки и пространствени пречки.
1. Електростатични сили
Ако повърхността на мембранния материал носи заредени групи (като карбоксилни или аминогрупи), ще настъпи електростатична адсорбция, когато разтвореното вещество в разтвора носи противоположния заряд, насърчавайки образуването на замърсяващ слой. Обратно, ако мембраната и разтвореното вещество носят еднакъв заряд, електростатичното отблъскване помага за намаляване на замърсяването.
2. Сили на Ван дер Ваалс
Това е универсално междумолекулно привличане, характеризиращо се с константата на Хамакер. Силите на Ван дер Ваалс между разтвореното вещество и мембраната могат да се изчислят по следната формула:
Където H11, H22 и H33 са константите на Хамакер съответно на мембранния материал, разтвореното вещество и разтвора.
Колкото по-малка е стойността на H213, толкова по-слабо е привличането между мембраната и разтвореното вещество и толкова по-ниска е склонността към замърсяване. Това означава, че изборът на мембранни материали трябва да избягва генерирането на силно молекулярно привличане с разтвореното вещество. Например, при пречистване на вода, мембранните материали със силна хидрофилност и ниска повърхностна енергия обикновено са по-устойчиви на замърсяване.
3. Водородна връзка Водородните връзки са вид химична връзка с висока -енергия, особено важна за полярните разтворени вещества. Когато органични съединения, съдържащи функционални групи като хидроксилни и карбоксилни групи, влязат в контакт с повърхността на мембраната, те могат да образуват слой с -водородна връзка, което води до сериозно замърсяване. Естествените органични молекули (NOM) или биомолекулите са особено предразположени към образуване на "органичен замърсяващ слой" върху повърхността на мембраната чрез водородни връзки.
4. Стерично възпрепятстване За полимери или биомолекули с дълги молекулни вериги, движението в порите на мембраната или по повърхността е пространствено ограничено. Когато в системата съществува силно пространствено препятствие, замърсителите трудно достигат до повърхността на мембраната, като по този начин се смекчава до известна степен замърсяването.
III. Структура и свойства на мембраната
Структурните характеристики на една мембрана директно определят нейните противообрастващи характеристики. Микроскопски параметри като разпределение на размера на порите, грапавост на повърхността, характеристики на заряда и хидрофилност влияят върху замърсяването.
1. Размер на порите и структура на порите
Ултрафилтрационните или нанофилтрационните мембрани с по-малък размер на порите са по-склонни към намаляване на потока поради блокиране на частици. Ако разпределението на размера на порите е неравномерно или има дефекти по кожата, замърсяването става по-тежко. Това обяснява защо ултрафилтрационната мембрана на определена американска компания, първоначално номинално с размер на порите от 0,02 микрометра, имаше ниска равномерност на размера на порите; през последните години те пуснаха ултрафилтрационните мембрани от серията XP с по-равномерни размери на порите.
2. Грапавост на повърхността
Грапавите мембранни повърхности имат повече микропори и канали, лесно образуващи локализирани застойни зони, причиняващи натрупване на замърсители.
3. Хидрофилност
Хидрофилните мембрани обикновено имат по-ниска повърхностна енергия и по-тънък адсорбционен слой, което позволява на водните молекули лесно да образуват "хидратиращ филм" върху повърхността на мембраната, като по този начин инхибират отлагането на органична материя. Хидрофилността зависи главно от контактния ъгъл на мембраната. Тази стойност обикновено се дава в ръководствата за мембрани за вносни продукти, които читателите могат да направят справка, когато купуват мембрани. По-рядко се среща обаче в ръководствата за местно произведени мембрани.
4. Характеристики на заряда
Отрицателно заредените мембранни повърхности отблъскват отрицателно заредените колоиди или частици, като намаляват замърсяването. Въпреки това, когато разтворът съдържа катиони, може да настъпи неутрализиране на заряда, което води до повишена адсорбция. Това е една от причините, поради които замърсяването на мембраната е бързо в отпадъчни води с висока-соленост.
IV. Влияние на характеристиките на разтвора Химическите свойства на разтвора оказват дълбоко влияние върху замърсяването на мембраната. Те включват главно: (1) pH променя състоянието на заряда на разтвореното вещество и повърхността на мембраната, като по този начин засяга електростатичните взаимодействия; (2) Високата йонна сила може да компресира двойния слой, отслабвайки електростатичното отблъскване и улеснявайки адсорбирането на замърсителите, като например във вода с висока-соленост; (3) Повишаването на температурата намалява вискозитета на разтвора, увеличавайки потока в краткосрочен план, но също така ускорява взаимодействието между органичната материя и мембраната, потенциално влошавайки замърсяването в дългосрочен план; (4) Сложността на съвместно съществуващата система от органична материя, колоиди и метални йони в разтвора може да доведе до сложно замърсяване.
V. Физични свойства на мембраните
Физичните свойства на мембраните включват грапавост на повърхността, разпределение на размера на порите, порьозност и повърхностен заряд. Гладките мембранни повърхности са по-малко склонни към замърсяване; равномерното разпределение на размера на порите води до стабилен поток на пермеат и по-бавно образуване на слой замърсяване. Освен това, ако повърхността на мембранния материал е отрицателно заредена, тя може да образува стабилна електростатична бариера във водата, предотвратявайки приближаването на отрицателно заредени разтворени вещества; когато зарядът е частично неутрализиран или повърхността на мембраната съдържа хидрофобни области, е по-вероятно да адсорбира органична материя.
Следователно оптимизирането на структурата на мембраната от гледна точка на науката за материалите е важна посока за потискане на замърсяването. Например, използването на хидрофилни полиамидни композитни мембрани или въвеждането на полярни групи като хидроксилни и карбоксилни групи върху повърхността на мембраната може значително да подобри противообрастващите свойства.
VI. Работни параметри
Работните параметри на мембранната система играят решаваща роля при образуването на замърсявания. Ключовите параметри включват диференциал на трансмембранното налягане (TMP), скорост на трансмембранния поток (CFV) и поток (J).
1. Поток и критичен поток
Когато потокът надвиши определена граница, степента на замърсяване се увеличава рязко. Field et al. за първи път предложи концепцията за "критичен поток" през 1995 г., за да опише критичната точка на замърсяване.
Когато работният поток е под критичния поток Jc, върху повърхността на мембраната няма да се образува необратим слой замърсяване; когато потокът надвиши Jc, замърсителите бързо се отлагат и съпротивлението нараства с времето.
По време на дългосрочна-работа системата трябва да се поддържа стабилна в диапазон под критичния поток чрез контролиране на дебита на захранващата вода и разликата в трансмембранното налягане.
2. Сила на срязване и свойства на флуида
По-високите сили на срязване помагат за отстраняване на замърсяващия слой от повърхността на мембраната, но прекомерните сили на срязване могат да повредят мембраната или да увеличат консумацията на енергия. Следователно изборът на подходящи дебити и методи за филтриране (като филтриране с кръстосан-поток) е от решаващо значение.
3. Температура и работно налягане
Повишената температура намалява вискозитета на течността и увеличава скоростта на проникване, но също така подобрява адсорбцията на разтвореното вещество. Прекалено високото работно налягане може да уплътни замърсяващия слой, образувайки по-плътна блокираща структура.
Резюме
Замърсяването на мембраната е сложен процес, включващ множество свързани фактори, повлияни както от свойствата на материала, така и от работните условия. От механична гледна точка, размерът на частиците, повърхностният заряд, силите на молекулярно взаимодействие, свойствата на мембранния материал и условията на динамиката на флуида колективно определят образуването и еволюцията на замърсяването. Бъдещите насоки за контрол на замърсяването на мембраната ще се съсредоточат повече върху: повърхностна модификация и функционален дизайн на мембранните материали, динамичен контрол на операциите и управление на критичния поток, регулиране на разтвора и оптимизиране на енергията на повърхността. Само като започнем от микроскопични взаимодействия и систематично разберем механизма на замърсяване, можем да постигнем висока ефективност и устойчивост в процесите на мембранно разделяне в инженерната практика.