מנגנון ובקרה על זיהום ממברנות אולטרה-פילטרציה

Oct 25, 2024

להלן יציג בקצרה את המנגנון והמודל של זיהום ממברנות אולטרה-פילטרציה.

מתוצאות הבדיקה עולה כי הגורמים העיקריים הגורמים לזיהום הממברנה כוללים את תכונות החומרים הממברניים, האינטראקציה בין חומרי הממברנה לנוזל המטופל, ריכוז וקצב הזרימה של הנוזל המטופל וכו'.

ניתן לפתור את בעיית התכלות הממברנה בצורה יעילה על ידי שיפור התכונות של חומרי הממברנה וטיפול סביר בהתאמת הפרמטרים בין הממברנה לנוזל המטופל.

בשל היישום הרחב של ממברנת אולטרה סינון בתחום אספקת מים וניקוז, עמידות הסינון הנגרמת מזיהום ממברנה במהלך פעולת המערכת, במיוחד בתחום הטיפול בשפכים, הולכת וגוברת ללא הרף, וההפחתה הרצינית של סינון הממברנה. שטף הוא המפתח לעכב את היישום והקידום של טכנולוגיה זו. מאמר זה נועד לשפר את ההבנה של יישום יעיל של טכנולוגיית ממברנות בתחום אספקת מים וניקוז על ידי סיכום גורמי בקרת הזיהום של ניסוי זיהום ממברנות אולטרה-פילטרציה.

באופן תיאורטי, תהליך הספיחה של התמיסה על פני הממברנה הוא מסובך מכיוון שתמיד יש ספיחה תחרותית בין המומס לממס או בין מרכיבי תערובת הספיחה (ממברנה) בתהליך הספיחה, כך שהאיזותרם של הספיחה של יש לחשב את הפתרון על ידי מדידת קו הספיחה האיזותרמית הנראית לעין והוספת נתוני ספיחה אדים מתאימים. עם זאת, למעשה, מנקודת מבט איכותית, ניתן לשקול כי ספיחת הממברנה למומס קשורה קשר הדוק לקוטביות בין השניים, והממברנה של חומרים קוטביים נוטה לספוח בחומרים קוטביים בחוזקה. ספיחה של חומרים לא קוטביים חלשה הרבה יותר. להיפך, הסרט של חומרים לא קוטביים נוטה יותר לספוח מומסים לא קוטביים.

מצד שני, על פי עקרון המסיסות הדומה, מומסים קוטביים מתמוססים בקלות בממסים קוטביים, בעוד שמומסים לא קוטביים מתמוססים בקלות בממסים לא קוטביים. ככל שקל יותר להתמוסס, כך קטן הסיכוי שהוא ייספג על ידי פני הממברנה. לסיכום, אם הקוטביות של המומס קרובה יותר לממס והפוכה לממברנה, ספיחת המומס על פני הממברנה פחותה. מנקודת מבט מיקרוסקופית, קושי הספיחה על פני הממברנה ויציבות שכבת הספיחה קשורים לכוח האינטראקציה בין המומס המקרו-מולקולרי, פני הממברנה והמומס המקרו-מולקולרי. הכוח ביניהם מתחלק בדרך כלל לכוח ואן דר ואלס וכוח שכבה כפולה.

ניתן לאפיין את גודל כוח ואן גוך בין שני גופים על ידי קבוע פרופורציונליות האמייקר H. עבור המערכת השלושה של מים (1), מומס (2) וממברנה (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] בנוסחה 2, H11, H22 ו-H33 הם הקבועים של Hamaker של מים, מומס וממברנה, בהתאמה. הקרום ההידרופובי, H33 ירד; עבור מומס הידרופובי, H22 ירד. שניהם יכולים להוביל לעלייה של H213, להגביר את כוח המניפה בין הממברנה למומס, ולהחמיר את הזיהום של פני הממברנה. לכן, גם ממברנות הידרופוביות וגם מומסים הופכים את פני הממברנה לרגישים יותר לזיהום.

כאשר הממברנה במגע עם התמיסה, פני הממברנה יהיו טעונים עקב ספיחה יונית, כיוון דיפול, קשר מימן והשפעות נוספות, והמטען על פני השטח יכול להשפיע על פיזור היונים בתמיסה ליד פני השטח: יונים בעלי מטענים שונים נמשכים על ידי מטען פני השטח ונוטים אל פני הממברנה; היונים בעלי אותו מטען נדחים על ידי מטען פני השטח והם רחוקים משטח הממברנה, מה שגורם ליונים החיוביים והשליליים בתמיסה ליד פני הממברנה להיפרד זה מזה. יחד עם זאת, התנועה התרמית גורמת ליונים החיוביים והשליליים להיות בעלי נטייה לחזור לערבוב אחיד. תחת השילוב של שתי מגמות מנוגדות אלה, יונים ההטרוסיגנלים העודפים מתפזרים במדיום ליד פני השטח של הסרט הטעון ליצירת שכבה כפולה. כאשר החשמול של הממברנה זהה לזה של התמיסה, ספיחת הזיהום קטנה. להיפך, הספיחה גדולה יותר. כמות הזיהום הנספגת על פני הממברנה תלויה בתוצאה המשולבת של שני הכוחות לעיל.

מודל הספיחה של עכירות הממברנה יכול לבוא לידי ביטוי על ידי משוואת ספיחה של Gibbs ומשוואת ספיחה של Fredrich. ביניהם, משוואת הספיחה של גיבס מתמקדת ביחסי הספיחה בתנאים איזותרמיים:

במקרה שחום הספיחה קשור למידת כיסוי פני השטח, נעשה שימוש במשוואת פרידריך:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

כאשר, Γ הוא יכולת ספיחת הזיהום של הסרט ליחידת שטח

k, n הוא קבוע המתאם ו-c הוא ריכוז שיווי המשקל של התמיסה

על פי המנגנון ומודל הספיחה של זיהום הממברנה, ניתן לשלוט בזיהום הממברנה על ידי התאמת הגורמים הבאים: תכונות הידרופיליות של חומרי ממברנה; תכונות טעינה של חומרי ממברנה; ריכוז תמיסת הטיפול; קצב הזרימה של נוזל הטיפול.

במאמר זה, גורמי ההשפעה של ארבעת סוגי זיהום הממברנה הנ"ל נחקרו באמצעות ניסויים רלוונטיים, על מנת לחפש בקרה על השינויים של גורמים שונים על זיהום הממברנה.

הציוד המשמש בניסוי זה כולל אולטרה-פילטר פלטה מתוצרת עצמית, מיכל נוזל הזנה מתוצרת עצמית, אמבט מים בטמפרטורה סופר קבועה, משאבת מחזור מדידת WZJ-II, מד איזוטופים C14, סקאלת קפיצי קוורץ, מד גובה וכן הלאה.

החומרים המשמשים הם תמיסת BSA סטנדרטית, תמיסת אלכוהול מוכנה, פוליסולפון (PS), פוליסולפון אמיד (PSA), פוליאקרילוניטריל (PAN) וממברנת אולטרה סינון של סיבי אצטט במשקל מולקולרי של 30,000.

ראשית, ממברנת האולטרה סינון מחומרים שונים נעשית בלוקים לפי גודל וצורת מיכל האולטרה סינון, מושרה במים טהורים למשך 24 שעות, ומשקל הסרט הרטוב נשקל. לאחר מכן, תמיסת תסיסה אלכוהולית או תמיסת BSA סטנדרטית בריכוזים שונים שהוכנו באותה שיטה נשפכת למיכל נוזל ההזנה בהתאמה. התהליך מלווה בזרימת טמפרטורה קבועה ולחץ אוויר בהתאם לתהליך המוצג באיור 1. לאחר שיווי משקל הספיחה של קרום אולטרה-פילטרציה, משקל הבלוק של הממברנה לאחר שיווי משקל הספיחה נקבע כדי לקבוע את כמות הספיחת שיווי המשקל של קרום הניסוי. לַחסוֹם.

משקל הממברנה של תמיסת BSA סטנדרטית ותמיסת תסיסה אלכוהולית נקבע בשיטת האיזוטופה C14 ומאזן קפיצי קוורץ ומד גובה, בהתאמה. קצב הזרימה של נוזל ההזנה נשלט על ידי ויסות שסתום ומשאבת מדידה, ונמדד על ידי שעון עצר וגליל מדידה. ערך ה-pH של תמיסת תסיסת אלכוהול נמדד על ידי מד pH PHB-4 והותאם על ידי תמיסות 1N HCl ו-NaOH בהתאמה.

בחרנו את חומר הממברנה ההידרופילי המייצג ביותר ממברנת סינון סיבי אצטט (CA) ואת הממברנה ההידרופובית המייצגת ביותר פוליסולפון אולטרה סינון (PS) כדי לבצע ניסוי השוואתי של בדיקת ספיחה בשיווי משקל בתמיסת BSA סטנדרטית, ועקומת שיווי המשקל של זיהום הממברנה שנמדדה לפי איזוטופ C14 הוצג באיור 2: כפי שניתן לראות מאיור 2, יכולת הספיחה של קרום PS הידרופובי עבור שיווי משקל זיהום BSA היא בערך 1.0mg/m2, שהם פי 5 מזו של קרום CA הידרופיליים באותם תנאים, והזמן להגיע לכושר הספיחה של שיווי משקל זיהום הוא 60 דקות, שהם פי 6 מזה של קרום CA. ניתן לראות שהממברנה העשויה מחומרים הידרופיליים מפחיתה את H213 עקב הגדלת ה-Hamaker שלו, ובכך מפחיתה את כוח ה-Fan בין חומר הממברנה למומס, ומפחיתה למעשה את רמת הזיהום של פני הממברנה. ניתן לראות בבירור ממשוואת גיבס שאחרי קביעת הפרמטרים C, T, R ו-, Γ משתנה רק עם θ. ככל שההידרופוביות של החומר חזקה יותר, ככל שה-d (COSθ)/dC גדול יותר, כך זיהום הממברנה חמור יותר.

הניסוי הראה שלקרום ההידרופילי היה יתרון של יכולת ספיחה נמוכה של שיווי משקל זיהום. לקרום ההידרופובי יש יתרון של זמן רב להגיע לשיווי משקל של ספיחת זיהום. לכן, למעשה, ממברנת האולטרה-פילטרציה הזרה הנוכחית מאמצת בדרך כלל את הפרקטיקה של חומרים הידרופיליים מרוכבים על בסיס קרום בסיס הידרופובי, מה שלא רק מפחית את הזיהום של פני הממברנה, אלא גם מאריך את הזמן להגיע לאיזון הספיחה של הזיהום. של משטח הממברנה, מה שמשפר ביעילות את הביצועים של ממברנת האולטרה-פילטרציה.

בחרנו סרט PAN בעל מטען חיובי מייצג יותר וסרט PAN בעל מטען שלילי כדי לבצע ניסויים השוואתיים. תנאי הניסוי היו: פעולת לחץ אוויר; טמפרטורה: 25 מעלות; ריכוז תמיסת תסיסה: 0.333 גרם/ליטר; pH הוא 3.5; קצב זרימה: 43.7 ס"מ לדקה.

טבלה 1 ואיור 3 מציגות את יכולת הספיגה של זיהום שיווי המשקל ועקומת שיווי משקל הספיחה של קרום סינון אולטרה-סינון של פולי-אקרילוניטריל (PAN) בתמיסת תסיסה של אלכוהול בהתאמה. ניתן לראות מניתוח הדיאגרמה שכושר ספיחה בשיווי המשקל של קרום סינון אולטרה-פילטר PAN טעון חיובי נמוך בהרבה מזו של קרום PAN טעון שלילי בסביבה של תמיסת תסיסה חומצית חיובית של אלכוהול. ככל שערך ה-pH נמוך יותר, החיוביות של התמיסה חזקה יותר, כך ההבדל בין יכולת הספיגה בשיווי משקל הזיהום של שני הממברנות גדול יותר, וכאשר ערך ה-pH של התמיסה קרוב לנקודה האיזואלקטרית, יכולת הספיגה של התמיסה. שתי ממברנות נוטות להיות עקביות וההבדל בין יכולת הספיחה המקסימלית של שני הממברנות יכול להגיע ליותר מ-75%.

ניתן לראות שבשל ההשפעה של שכבה חשמלית כפולה, לקשר בין הממברנה למטען התמיסה (ערך pH) תהיה השפעה גדולה מאוד על זיהום הממברנה. כאשר המטען של הממברנה זהה לזה של התמיסה, המומס הכלוא בדרך כלל רחוק ממשטח הממברנה, וכתוצאה מכך פחות זיהום. כאשר המטען של הממברנה מנוגד למטען התמיסה, המומס הכלוא נספג בקלות ומושקע על פני הממברנה, וכתוצאה מכך זיהום גדול יותר.

לכן, בטיפול באספקת מים ובניקוז, במיוחד בתהליך הטיפול בשפכים, יש להקדיש תשומת לב מיוחדת לטעינת נוזל הטיפול (בדרך כלל מתבטא ב-pH). כאשר נוזל הטיפול הוא חומצי, נבחר קרום אולטרה סינון טעון חיובי; כאשר תמיסת הטיפול היא בסיסית, נבחר קרום האולטרה סינון בעל מטען שלילי.

על פי משוואת פרדיך Γ=k×c1/n, נבחרו קרומי סינון אולטרה מארבעה חומרים, כלומר פוליאלום (PS), פוליאלום אמיד (PSA), פוליאקרילוניטריל (PAN) וסיבי אצטט (CA), כדי לקבוע הזיהום הנוצר בנוזל תסיסה של אלכוהול בריכוזים שונים. תנאי הניסוי היו כדלקמן: לחץ; פעולת לחץ אוויר; טֶמפֶּרָטוּרָה; 25 מעלות; קצב זרימת נוזל תסיסה: 43.7 ס"מ לדקה. תוצאות הניסוי מוצגות בטבלה 2.

באמצעות רגרסיה ליניארית של הנתונים בטבלה 2, התקבלה משוואת פרדיך של יכולת הספיחה של ארבעה סוגים של זיהום ממברנה באופן הבא:

קרום S:Γ＝{{0}}．4415·C0．3616 …………………3．1

ממברנת PSA:Γ＝{{0}}．0463·C0．6981 ………………3．2

ממברנת PAN:Γ＝{{0}}．0453·C0．6299 ………………3．3

קרום CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729 …………………3．4
ניתן לראות מהמשוואה לעיל שכמות הזיהום של הספיחה על פני הסרט קשורה ישירות לריכוז תמיסת הטיפול. ככל שריכוז נוזל הטיפול גבוה יותר, כך הזיהום של פני הממברנה חזק יותר. עבור סרט הידרופילי, העלייה בזיהום פני השטח הנגרמת על ידי שינוי הריכוז גדולה מהעלייה בזיהום הסרט ההידרופובי. לכן, בטיפול במים, במיוחד בתעשיית הטיפול בשפכים, השימוש בדילול זרימת מים מסוננים ואמצעים נוספים להפחתת ריכוז נוזל הטיפול משפיע באופן משמעותי על השליטה והפחתת הזיהום של פני הסרט.

השפעת קצב הזרימה של נוזל הטיפול על זיהום פני השטח של הממברנה נותחה באמצעות ניסויי ספיחת זיהום של ממברנות CA ו-PS בקצבי זרימה שונים. תְאֵנָה. 4 ואיור. 5 הראה את יכולת ספיחת שיווי המשקל של ממברנות סינון אולטרה של CA ו-PS במהלך זרימת הלחץ החלול של נוזל תסיסה אלכוהולי, בהתאמה, בתנאי ניסוי של 25 מעלות. ערך ה-pH הוא 3.5. ניתן להסיק את המסקנות הבאות מתרשים הנתונים: יכולת ספיחת הזיהום בשיווי המשקל של ממברנות הידרופיליות והידרופוביות כאחד עומדת ביחס ליניארי הפוך לקצב הזרימה של התסנן. שיעור ספיחת זיהום שיווי המשקל של קרום הידרופילי ירד עם עליית מהירות הזרימה היה גדול מזה של קרום הידרופובי.

הסיבה לכך היא שהעלייה בקצב הזרימה של נוזל הטיפול לא רק תורמת להפחתת תופעת קיטוב הריכוז על פני הסרט, ובכך להפחית את זיהום פני הסרט, אלא גם תורמת להפחתת זיהום פני הסרט בשל אפקט הגזירה של נוזל במהירות גבוהה על פני הסרט. במקביל, הגדלת קצב הזרימה תגביר גם את אפקט המיקרו-ערבול של תמיסת הטיפול, תקדם את פירוק המומס ותפחית את התרחשות זיהום הממברנה.

בנוסף, טיפול מקדים נכון של משטח הממברנה וטיפול הוא גם שיטה יעילה לשליטה בזיהום משטח הממברנה. JA Howell et al. השתמשו בשיטה של קיבוע הפפאיה בממברנת האולטרה סינון כדי לפרק את מי גבינה שהופקדה על פני הממברנה, מה שהפחית מאוד את זיהום הממברנה. בנוסף, ממברנת האולטרה-פילטרציה של פוליסולפון שטופלה ב-Tween80 הפחיתה מאוד את זיהום פני הממברנה במהלך סינון האולטרה של תמיסת BSA, שהיא אמצעי טיפול טוב להפחתת זיהום פני הממברנה.

הבעיה המרכזית של יישום ממברנת סינון אולטרה בתחום אספקת המים והניקוז היא ירידת השטף הנגרמת מזיהום הממברנה. הגורמים העיקריים הגורמים לזיהום פני השטח של ממברנת סינון אולטרה כוללים: תכונות החומרים הממברניים, שיתוף הפעולה בין חומרי הממברנה לנוזל הטיפול, ריכוז וקצב הזרימה של נוזל הטיפול וגורמים נוספים. על ידי שיפור נוסף של תכונות חומרי הממברנה וטיפול סביר בהתאמת הפרמטרים השונים בין הממברנה לנוזל הטיפול, ניתן לפתור את הבעיה הקשה הזו ביעילות, כך שניתן יהיה להשתמש בממברנת אולטרה סינון באופן נרחב יותר בתחום אספקת מים וניקוז. Hangzhou Jiuling Technology גם תיצור שיטות מחקר ופיתוח נוספות בפתרון זיהום הממברנה בעתיד כדי לשפר את המצב הקיים.

זוג: טכנולוגיה של השבתה והסרת וירוסים של מוצרי דם

הבא: Hangzhou Guidling Technology CO., LTD הופיע לראשונה ב-CPHI מילאנו