Mekanisme Dan Pengendalian Pencemaran Membran Ultrafiltrasi

Oct 25, 2024

Berikut ini akan diperkenalkan secara singkat mekanisme dan model pencemaran membran ultrafiltrasi.

Hasil pengujian menunjukkan bahwa faktor utama penyebab pencemaran membran meliputi sifat bahan membran, interaksi antara bahan membran dan cairan yang diolah, konsentrasi dan laju aliran cairan yang diolah, dll.

Masalah pengotoran membran dapat diatasi secara efektif dengan meningkatkan sifat bahan membran dan menangani kesesuaian parameter antara membran dan cairan yang diolah secara wajar.

Karena penerapan membran ultrafiltrasi yang luas di bidang pasokan air dan drainase, resistensi filtrasi yang disebabkan oleh polusi membran selama pengoperasian sistem, terutama di bidang pengolahan air limbah, terus meningkat, dan pelemahan serius pada filtrasi membran fluks adalah kunci untuk menghambat penerapan dan promosi teknologi ini. Makalah ini bertujuan untuk meningkatkan pemahaman tentang penerapan efektif teknologi membran di bidang penyediaan air dan drainase dengan merangkum faktor-faktor pengendalian polusi dari percobaan polusi membran ultrafiltrasi.

Secara teori, proses adsorpsi larutan pada permukaan membran rumit karena selalu terjadi persaingan adsorpsi antara zat terlarut dengan pelarut atau antara komponen campuran adsorben (membran) dalam proses adsorpsi, sehingga adsorpsi isotermal. larutan harus dihitung dengan mengukur garis adsorpsi isotermal yang tampak dan menambahkan data adsorpsi uap yang sesuai. Namun pada kenyataannya, dari sudut pandang kualitatif, dapat dianggap bahwa adsorpsi membran terhadap zat terlarut berkaitan erat dengan polaritas antara keduanya, dan membran bahan polar cenderung kuat mengadsorpsi zat polar, dan adsorpsi zat non-polar jauh lebih lemah. Sebaliknya, film yang terbuat dari bahan non-polar lebih cenderung mengadsorpsi zat terlarut non-polar.

Sebaliknya, menurut prinsip kelarutan serupa, zat terlarut polar mudah larut dalam pelarut polar, sedangkan zat terlarut non-polar mudah larut dalam pelarut non-polar. Semakin mudah larut, semakin kecil kemungkinannya untuk teradsorpsi oleh permukaan membran. Ringkasnya, jika polaritas zat terlarut lebih dekat dengan pelarut dan berlawanan dengan membran, maka adsorpsi zat terlarut pada permukaan membran akan lebih kecil. Secara mikroskopis, kesulitan adsorpsi pada permukaan membran dan kestabilan lapisan adsorpsi berkaitan dengan gaya interaksi antara zat terlarut makromolekul, permukaan membran dan zat terlarut makromolekul. Gaya yang terjadi diantara keduanya secara umum dibagi menjadi gaya van der Waals dan gaya lapisan ganda.

Besarnya gaya Van Gogh antara dua benda dapat dicirikan oleh konstanta proporsionalitas Hamaker H. Untuk sistem terner air (1), zat terlarut (2) dan membran (3): H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] dalam rumus 2, H11, H22 dan H33 masing-masing adalah konstanta Hamaker untuk air, zat terlarut, dan membran. Membran hidrofobik, H33 menurun; Untuk zat terlarut hidrofobik, H22 menurun. Keduanya dapat menyebabkan peningkatan H213, meningkatkan gaya Kipas antara membran dan zat terlarut, dan memperparah polusi pada permukaan membran. Oleh karena itu, membran hidrofobik dan zat terlarut membuat permukaan membran lebih rentan terhadap kontaminasi.

Ketika membran bersentuhan dengan larutan, permukaan membran akan terisi karena adsorpsi ionik, orientasi dipol, ikatan hidrogen dan efek lainnya, dan muatan permukaan dapat mempengaruhi distribusi ion dalam larutan di dekat permukaan: the ion dengan muatan berbeda tertarik oleh muatan permukaan dan cenderung ke permukaan membran; Ion-ion yang bermuatan sama akan ditolak oleh muatan permukaan dan menjauhi permukaan membran, sehingga ion positif dan negatif dalam larutan di dekat permukaan membran terpisah satu sama lain. Pada saat yang sama, gerakan termal membuat ion positif dan negatif memiliki kecenderungan untuk kembali bercampur secara seragam. Di bawah kombinasi dua tren yang berlawanan ini, kelebihan ion heterosign berdifusi dalam medium dekat permukaan film bermuatan untuk membentuk lapisan ganda. Ketika elektrifikasi membran sama dengan larutan, adsorpsi polusi menjadi kecil. Sebaliknya, adsorpsinya lebih besar. Banyaknya pencemaran yang teradsorpsi pada permukaan membran bergantung pada hasil gabungan kedua gaya di atas.

Model adsorpsi pengotoran membran dapat dinyatakan dengan persamaan adsorpsi Gibbs dan persamaan adsorpsi Fredrich. Diantaranya, persamaan adsorpsi Gibbs berfokus pada hubungan adsorpsi dalam kondisi isotermal:

Dalam hal panas adsorpsi berhubungan dengan derajat cakupan permukaan, digunakan persamaan Friedrich:

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

Dimana, Γ adalah kapasitas adsorpsi polusi film per satuan luas

k, n adalah konstanta korelasi dan c adalah konsentrasi kesetimbangan larutan

Menurut mekanisme dan model adsorpsi pencemaran membran, pencemaran membran dapat dikendalikan dengan menyesuaikan faktor-faktor berikut: sifat hidrofilik bahan membran; Sifat pengisian bahan membran; Konsentrasi larutan pengobatan; Laju aliran cairan perawatan.

Dalam makalah ini, faktor-faktor pengaruh dari keempat jenis polusi membran di atas dipelajari melalui eksperimen yang relevan, untuk mencari pengendalian perubahan berbagai faktor pada polusi membran.

Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain pelat ultrafilter buatan sendiri, tangki cairan umpan buatan sendiri, penangas air bersuhu super konstan, pompa sirkulasi pengukur WZJ-II, pengukur isotop C14, timbangan pegas kuarsa, pengukur ketinggian dan lain sebagainya.

Bahan yang digunakan adalah larutan standar BSA, larutan fermentasi alkohol siap pakai, polisulfon (PS), polisulfon amida (PSA), poliakrilonitril (PAN) dan membran ultrafiltrasi pelat serat asetat dengan berat molekul 30,000.

Pertama, membran ultrafiltrasi dari berbagai bahan dibuat menjadi balok-balok sesuai dengan ukuran dan bentuk tangki ultrafiltrasi, direndam dalam air murni selama 24 jam, dan berat film basah ditimbang. Kemudian, larutan fermentasi alkohol atau larutan BSA standar dengan konsentrasi berbeda yang dibuat dengan metode yang sama dituangkan ke dalam tangki cairan umpan masing-masing. Proses tersebut dilanjutkan dengan sirkulasi suhu dan tekanan udara yang konstan sesuai dengan proses yang ditunjukkan pada Gambar 1. Setelah kesetimbangan adsorpsi membran ultrafiltrasi, berat blok membran setelah kesetimbangan adsorpsi ditentukan untuk menentukan jumlah kesetimbangan adsorpsi membran percobaan. memblokir.

Berat membran larutan BSA standar dan larutan fermentasi alkohol ditentukan masing-masing dengan metode isotop C14 dan neraca pegas kuarsa dan meteran ketinggian. Laju aliran cairan umpan dikendalikan oleh katup pengatur dan pompa pengukur, dan diukur dengan stopwatch dan silinder pengukur. Nilai pH larutan fermentasi alkohol diukur dengan pH meter PHB-4 dan disesuaikan dengan larutan HCl 1 N dan NaOH.

Kami memilih bahan membran hidrofilik membran ultrafiltrasi serat asetat (CA) yang paling representatif dan bahan membran hidrofobik membran ultrafiltrasi polisulfon (PS) yang paling representatif untuk melakukan percobaan komparatif uji adsorpsi kesetimbangan dalam larutan BSA standar, dan mengukur kurva kesetimbangan polusi membran. oleh isotop C14 ditunjukkan pada Gambar 2: Seperti dapat dilihat dari Gambar 2, kapasitas adsorpsi membran PS hidrofobik untuk kesetimbangan polusi BSA adalah sekitar 1.0mg/m2, yaitu 5 kali lipat dari membran CA hidrofilik pada kondisi yang sama, dan waktu untuk mencapai kapasitas adsorpsi kesetimbangan pencemaran adalah 60 menit, yaitu 6 kali lipat dari membran CA. Terlihat bahwa membran yang terbuat dari bahan hidrofilik mereduksi H213 karena peningkatan Hamakernya, sehingga mengurangi gaya Kipas antara bahan membran dan zat terlarut, dan secara efektif mengurangi tingkat pencemaran permukaan membran. Terlihat jelas dari persamaan Gibbs bahwa setelah penentuan parameter C, T, R dan , Γ hanya berubah dengan θ. Semakin kuat hidrofobisitas bahan, semakin besar d ( COSθ)/dC, semakin serius polusi membran.

Percobaan menunjukkan bahwa membran hidrofilik memiliki keunggulan kapasitas adsorpsi kesetimbangan polusi yang rendah. Membran hidrofobik mempunyai keunggulan waktu yang lama untuk mencapai keseimbangan adsorpsi pencemaran. Oleh karena itu, pada kenyataannya, membran ultrafiltrasi asing saat ini umumnya mengadopsi praktik bahan hidrofilik komposit berdasarkan membran dasar hidrofobik, yang tidak hanya mengurangi polusi pada permukaan membran, tetapi juga memperpanjang waktu untuk mencapai keseimbangan adsorpsi polusi. permukaan membran, yang secara efektif meningkatkan kinerja membran ultrafiltrasi.

Kami memilih film PAN bermuatan positif yang lebih representatif dan film PAN bermuatan negatif untuk melakukan eksperimen komparatif. Kondisi percobaannya adalah: operasi tekanan udara; Suhu: 25 derajat; Konsentrasi larutan fermentasi: 0.333 g/L; pHnya 3,5; Laju aliran: 43.7cm/menit.

Tabel 1 dan Gambar 3 menunjukkan kapasitas adsorpsi kesetimbangan pencemaran dan kurva kesetimbangan adsorpsi masing-masing membran ultrafiltrasi poliakrilonitril (PAN) bermuatan positif dan bermuatan negatif dalam larutan fermentasi alkohol. Terlihat dari analisis diagram bahwa kapasitas adsorpsi kesetimbangan membran ultrafiltrasi PAN bermuatan positif jauh lebih rendah dibandingkan membran PAN bermuatan negatif pada lingkungan larutan fermentasi alkohol yang bersifat asam dan bermuatan positif. Semakin rendah nilai pH maka semakin kuat kepositifan larutan, semakin besar perbedaan kapasitas adsorpsi kesetimbangan pencemaran kedua membran, dan bila nilai pH larutan mendekati titik isoelektrik maka kapasitas adsorpsi larutan. kedua membran cenderung konsisten dan perbedaan kapasitas adsorpsi maksimum kedua membran dapat mencapai lebih dari 75%.

Terlihat bahwa akibat pengaruh lapisan listrik ganda, hubungan antara membran dan muatan larutan (nilai pH) akan berdampak sangat besar terhadap pencemaran membran. Ketika muatan membran sama dengan muatan larutan, zat terlarut yang terperangkap umumnya berada jauh dari permukaan membran, sehingga polusi lebih sedikit. Ketika muatan membran berlawanan dengan muatan larutan, zat terlarut yang terperangkap akan mudah teradsorpsi dan mengendap pada permukaan membran, sehingga menghasilkan polusi yang lebih besar.

Oleh karena itu, dalam penyediaan air dan pengolahan drainase, khususnya dalam proses pengolahan air limbah, perhatian khusus harus diberikan pada pengisian cairan pengolahan (biasanya dinyatakan dalam pH). Bila cairan pengolahan bersifat asam, membran ultrafiltrasi bermuatan positif dipilih; Jika larutan pengobatan bersifat basa, membran ultrafiltrasi bermuatan negatif dipilih.

Menurut persamaan Fredrich Γ=k×c1 / n, membran ultrafiltrasi dari empat bahan, yaitu polialum (PS), polialum amide (PSA), poliakrilonitril (PAN) dan serat asetat (CA), dipilih untuk menentukan polusi yang terbentuk dalam cairan fermentasi alkohol dengan konsentrasi berbeda. Kondisi percobaan adalah sebagai berikut: tekanan; Operasi tekanan udara; Suhu; 25 derajat; Laju aliran cairan fermentasi: 43.7cm/menit. Hasil percobaan ditunjukkan pada Tabel 2.

Melalui regresi linier data pada Tabel 2 diperoleh persamaan Fredrich kapasitas adsorpsi empat macam pencemaran membran sebagai berikut:

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

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

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

Membran CA:Γ＝{{0}}．0126·C0．9729…………………3．4
Terlihat dari persamaan di atas bahwa jumlah adsorpsi pencemaran pada permukaan film berhubungan langsung dengan konsentrasi larutan pengolahan. Semakin tinggi konsentrasi cairan pengolahan, semakin kuat pencemaran permukaan membran. Untuk film hidrofilik, peningkatan pencemaran permukaan akibat perubahan konsentrasi lebih besar dibandingkan peningkatan pencemaran film hidrofobik. Oleh karena itu, dalam pengolahan air, khususnya di industri pengolahan limbah, penggunaan pengenceran aliran balik air yang disaring dan cara lain untuk mengurangi konsentrasi cairan pengolahan mempunyai pengaruh yang signifikan dalam mengendalikan dan mengurangi pencemaran permukaan film.

Pengaruh laju aliran cairan pengolahan terhadap pencemaran permukaan membran dianalisis melalui percobaan adsorpsi pencemaran membran CA dan PS pada laju aliran yang berbeda. ARA. 4 dan Gambar. Gambar 5 menunjukkan kapasitas adsorpsi kesetimbangan membran ultrafiltrasi CA dan PS selama sirkulasi tekanan berongga cairan fermentasi alkohol, masing-masing, pada kondisi percobaan 25 derajat. Nilai pH-nya adalah 3,5. Kesimpulan berikut dapat diambil dari diagram data: kapasitas adsorpsi pencemaran keseimbangan membran hidrofilik dan hidrofobik berbanding terbalik secara linier dengan laju aliran filtrat. Proporsi adsorpsi pencemaran kesetimbangan pada membran hidrofilik menurun dengan peningkatan kecepatan aliran yang lebih besar dibandingkan pada membran hidrofobik.

Hal ini karena peningkatan laju aliran cairan pengolahan tidak hanya kondusif untuk mengurangi fenomena polarisasi konsentrasi pada permukaan film, sehingga mengurangi polusi permukaan film, tetapi juga kondusif untuk mengurangi polusi permukaan film akibat efek geser. fluida berkecepatan tinggi pada permukaan film. Pada saat yang sama, peningkatan laju aliran juga akan meningkatkan efek pengadukan mikro dari larutan pengolahan, meningkatkan pembubaran zat terlarut dan mengurangi terjadinya polusi membran.

Selain itu, perlakuan awal dan perawatan yang tepat pada permukaan membran juga merupakan metode yang efektif untuk mengendalikan polusi pada permukaan membran. JA Howell dkk. menggunakan metode pengikatan pepayase dalam membran ultrafiltrasi untuk menguraikan whey yang disimpan di permukaan membran, yang sangat mengurangi polusi membran. Selain itu, membran ultrafiltrasi polisulfon yang diolah dengan Tween80 sangat mengurangi polusi permukaan membran selama ultrafiltrasi larutan BSA, yang merupakan cara perawatan yang baik untuk mengurangi polusi permukaan membran.

Masalah utama penerapan membran ultrafiltrasi di bidang penyediaan air dan drainase adalah penurunan fluks yang disebabkan oleh pencemaran membran. Faktor utama penyebab pencemaran permukaan membran ultrafiltrasi meliputi: sifat bahan membran, kerjasama antara bahan membran dan cairan pengolahan, konsentrasi dan laju aliran cairan pengolahan dan faktor lainnya. Dengan lebih meningkatkan sifat-sifat bahan membran dan menangani secara wajar berbagai pencocokan parameter antara membran dan cairan pengolahan, masalah sulit ini dapat diselesaikan secara efektif, sehingga membran ultrafiltrasi dapat digunakan secara lebih luas di bidang penyediaan air dan drainase. Hangzhou Jiuling Technology juga akan melakukan lebih banyak penelitian dan pengembangan metode dalam solusi polusi membran di masa depan untuk meningkatkan status quo.

Sepasang: Hangzhou Guidling Technology CO.,LTD Debut Di CPHI Milan

Berikutnya: Teknologi Inaktivasi Dan Penghapusan Virus Produk Darah