stringtranslate.com

Загрязнение мембраны

Загрязнение мембраны на разных этапах 1–5. 1) чистая мембрана 2) сужение пор 3) блокировка пор 4) образование слоя осадка 5) очищенная мембрана

Загрязнение мембраны — это процесс, при котором раствор или частица осаждаются на поверхности мембраны или в порах мембраны в таких процессах, как мембранный биореактор , [1] обратный осмос , [2] прямой осмос , [3] мембранная дистилляция , [4] ультрафильтрация , микрофильтрация или нанофильтрация [5] , в результате чего ухудшается производительность мембраны. Это является основным препятствием для широкого использования этой технологии . Загрязнение мембраны может вызвать серьезное снижение потока и повлиять на качество получаемой воды. Сильное загрязнение может потребовать интенсивной химической очистки или замены мембраны. Это увеличивает эксплуатационные расходы очистных сооружений . Существуют различные типы загрязнений: коллоидные (глины, хлопья ), биологические ( бактерии , грибки ), органические ( масла , полиэлектролиты , гумусы ) и накипь (минеральные осадки). [6]

Загрязнение можно разделить на обратимое и необратимое в зависимости от прочности прикрепления частиц к поверхности мембраны. Обратимое загрязнение можно удалить с помощью сильного усилия сдвига или обратной промывки . Образование прочной матрицы слоя загрязнения с растворенным веществом во время непрерывного процесса фильтрации приведет к тому, что обратимое загрязнение преобразуется в необратимый слой загрязнения. Необратимое загрязнение — это прочное прикрепление частиц, которое невозможно удалить путем физической очистки. [7]

Факторы влияния

Факторы, влияющие на загрязнение мембран:

Недавние фундаментальные исследования показывают, что на загрязнение мембраны влияют многочисленные факторы, такие как гидродинамика системы, условия эксплуатации, [8] свойства мембраны и свойства материала (растворенного вещества). При низком давлении, низкой концентрации подачи и высокой скорости подачи эффекты поляризации концентрации минимальны, а поток почти пропорционален разнице трансмембранного давления. Однако в диапазоне высоких давлений поток становится почти независимым от приложенного давления. [9] Отклонение от линейной зависимости потока от давления обусловлено поляризацией концентрации . При низкой скорости потока подачи или при высокой концентрации подачи ситуация с ограничением потока наблюдается даже при относительно низких давлениях.

Измерение

Поток, [3] трансмембранное давление (TMP), проницаемость и сопротивление являются лучшими индикаторами загрязнения мембраны. При работе с постоянным потоком TMP увеличивается, чтобы компенсировать загрязнение. С другой стороны, при работе с постоянным давлением поток уменьшается из-за загрязнения мембраны. В некоторых технологиях, таких как мембранная дистилляция , загрязнение снижает отторжение мембраны, и, таким образом, качество пермеата (например, измеряемое по электропроводности) является основным показателем загрязнения. [8]

Контроль загрязнения

На мембране обратного осмоса скопился осадок.

Несмотря на то, что загрязнение мембран является неизбежным явлением в процессе мембранной фильтрации , его можно свести к минимуму с помощью таких стратегий, как очистка, правильный выбор мембраны и условий эксплуатации.

Мембраны можно очищать физически, биологически или химически. Физическая очистка включает в себя газовую очистку, губки, струи воды или обратную промывку с использованием пермеата [10] или сжатого воздуха. [11] Биологическая очистка использует биоциды для удаления всех жизнеспособных микроорганизмов , тогда как химическая очистка включает в себя использование кислот и оснований для удаления загрязнений и примесей.

Кроме того, исследователи изучили влияние различных покрытий на износостойкость. Исследование 2018 года, проведенное Глобальным центром водных инноваций в Японии, показало улучшение свойств шероховатости поверхности мембран PA путем покрытия их многослойными углеродными нанотрубками. [12]

Другой стратегией минимизации загрязнения мембраны является использование подходящей мембраны для конкретной операции. Сначала необходимо знать природу исходной воды; затем выбирается мембрана, которая менее склонна к загрязнению этим раствором. Для водной фильтрации предпочтительна гидрофильная мембрана. [ 13] Для мембранной дистилляции предпочтительна гидрофобная мембрана. [ 14]

Рабочие условия во время мембранной фильтрации также имеют важное значение, поскольку они могут влиять на условия загрязнения во время фильтрации. Например, перекрестная фильтрация часто предпочтительнее тупиковой фильтрации , поскольку турбулентность , возникающая во время фильтрации, влечет за собой более тонкий слой осадка и, следовательно, минимизирует загрязнение (например, эффект трубчатого зажима ). В некоторых приложениях, таких как многие приложения MBR, для создания турбулентности на поверхности мембраны используется воздушная очистка.

Влияние загрязнения на механические свойства мембран

Эффективность мембраны может пострадать от механической деградации, вызванной загрязнением. Это может привести к нежелательным градиентам давления и потока, как растворенного вещества, так и растворителя. Механизм выхода из строя мембраны может быть прямым следствием загрязнения посредством физических изменений мембраны или косвенным путем, когда процессы удаления загрязнений приводят к повреждению мембраны.

Прямое воздействие загрязнения

Важно отметить, что большинство мембран, используемых в коммерческих целях, представляют собой полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), полиакрилонитрил (ПАН), полиэфирсульфон (ПЭС) и полиамид (ПА), которые являются материалами, обладающими желаемыми свойствами (эластичностью и прочностью), чтобы выдерживать постоянное осмотическое давление. [15] Однако накопление загрязняющих веществ ухудшает эти свойства за счет физических изменений в структуре мембраны.

Накопление загрязняющих веществ может привести к образованию трещин, шероховатости поверхности и изменению распределения размеров пор. [15] Эти физические изменения являются результатом ударов твердого материала о мягкую полимерную мембрану, ослабляя ее структурную целостность. Деградация механической структуры делает мембраны более восприимчивыми к механическим повреждениям, что потенциально сокращает ее общий срок службы. Исследование 2006 года наблюдало эту деградацию путем одноосного растяжения полых волокон , которые были как чистыми, так и загрязненными. Исследователи сообщили об относительной хрупкости загрязненных волокон. [16]

Косвенные воздействия загрязнения

Помимо прямого физического повреждения, загрязнение может также вызывать косвенные эффекты на механические свойства мембраны из-за стратегий, используемых для борьбы с ним. Обратная промывка подвергает не только частицы, но и мембрану сильным сдвиговым усилиям. Поэтому большая частота загрязнения подвергает мембрану циклической нагрузке, которая может привести к усталостному отказу . Это процесс, при котором существующие дефекты в мембране (например, микротрещины) могут расти и распространяться из-за сложной динамики напряженного состояния. Эти воздействия известны; исследование 2007 года имитировало старение с помощью циклических импульсов обратной промывки и сообщило о похожем охрупчивании из-за эффектов. [17]

Кроме того, повторная химическая обработка загрязнений подвергает мембраны воздействию избыточного количества хлора или других химических веществ, которые могут вызвать деградацию. [18] Эта химическая деградация может привести к расслоению компонентов мембраны, что в конечном итоге приведет к отказу.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Мэн, Фанган; Ян, Фэнлинь; Ши, Баоцян; Чжан, Ханьминь (февраль 2008 г.). «Комплексное исследование загрязнения мембран в погружных мембранных биореакторах, работающих при различной интенсивности аэрации». Технология разделения и очистки . 59 (1): 91–100. doi :10.1016/j.seppur.2007.05.040.
  2. ^ Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Maswadeh, Laith A.; Connors, Grace B.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2018). «Смягчение неорганического загрязнения путем циклического изменения солености при периодическом обратном осмосе». Water Research . 137 : 384–394. Bibcode : 2018WatRe.137..384W. doi : 10.1016/j.watres.2018.01.060 . hdl : 1721.1/114637 . ISSN  0043-1354. PMID  29573825.
  3. ^ ab Tow, Emily W.; Warsinger, David M.; Trueworthy, Ali M.; Swaminathan, Jaichander; Thiel, Gregory P.; Zubair, Syed M.; Myerson, Allan S.; Lienhard V, John H. (2018). «Сравнение склонности к загрязнению между обратным осмосом, прямым осмосом и мембранной дистилляцией». Журнал мембранной науки . 556 : 352–364. doi : 10.1016/j.memsci.2018.03.065. hdl : 1721.1/115270 . ISSN  0376-7388.
  4. ^ Варсингер, Дэвид М.; Сваминатан, Джайчандер; Гильен-Бурриеза, Елена; Арафат, Хассан А.; Линхард В., Джон Х. (2015). «Образование накипи и загрязнение при мембранной дистилляции для опреснения: обзор» (PDF) . Опреснение . 356 : 294–313. Bibcode :2015Desal.356..294W. doi :10.1016/j.desal.2014.06.031. hdl : 1721.1/102497 . ISSN  0011-9164.
  5. ^ Хонг, Сынгван; Элимелех, Менахем (1997). «Химические и физические аспекты загрязнения нанофильтрационных мембран природными органическими веществами (NOM)». Журнал мембранной науки . 132 (2): 159–181. doi :10.1016/s0376-7388(97)00060-4. ISSN  0376-7388.
  6. ^ Бейкер, Р. В. (2004). Мембранные технологии и их применение, Англия: John Wiley & Sons Ltd.
  7. ^ Чой, Х., Чжан, К., Дионисиу, Д.Д., Эртер, Д.Б. и Сориал, Г.А. (2005) Влияние потока пермеата и тангенциального потока на загрязнение мембран при очистке сточных вод. Журнал «Технологии разделения и очистки» 45: 68-78.
  8. ^ ab Warsinger, David M.; Tow, Emily W.; Swaminathan, Jaichander; Lienhard V, John H. (2017). «Теоретическая основа для прогнозирования неорганического загрязнения при мембранной дистилляции и экспериментальная проверка с сульфатом кальция» (PDF) . Journal of Membrane Science . 528 : 381–390. doi : 10.1016/j.memsci.2017.01.031 . hdl :1721.1/107916. ISSN  0376-7388.
  9. ^ Гош, Р., 2006, Принципы техники биосепарации, World Scientific Publishing Pvt Ltd.
  10. ^ Либерман, Борис (2018). «Три метода очистки прямого осмоса для мембран обратного осмоса». Опреснение . 431 : 22–26. Bibcode : 2018Desal.431...22L. doi : 10.1016/j.desal.2017.11.023. ISSN  0011-9164.
  11. ^ Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Connors, Grace B.; Mavukkandy, Musthafa O.; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (2017). «Обратное смачивание мембраны при мембранной дистилляции: сравнение высыхания с обратной промывкой сжатым воздухом». Environmental Science: Water Research & Technology . 3 (5): 930–939. doi :10.1039/c7ew00085e. hdl : 1721.1/118392 . ISSN  2053-1400.
  12. ^ Ортис-Медина, Дж.; Инукай, С.; Араки, Т.; Морелос-Гомес, А.; Круз-Сильва, Р.; Такеучи, К.; Ногучи, Т.; Кавагучи, Т.; Терронес, М.; Эндо, М. (2018-02-09). "Надежные мембраны для опреснения воды, устойчивые к деградации с использованием больших количеств углеродных нанотрубок". Scientific Reports . 8 (1): 2748. Bibcode :2018NatSR...8.2748O. doi :10.1038/s41598-018-21192-5. ISSN  2045-2322. PMC 5807517 . PMID  29426871. 
  13. ^ Goosen, MFA; Sablani, SS; Al-Hinai, H.; Al-Obeidani, S.; Al-Belushi, R.; Jackson, D. (2005-01-02). «Загрязнение мембран обратного осмоса и ультрафильтрации: критический обзор». Separation Science and Technology . 39 (10): 2261–2297. doi :10.1081/ss-120039343. ISSN  0149-6395.
  14. ^ Warsinger, David M.; Servi, Amelia; Van Belleghem, Sarah; Gonzalez, Jocelyn; Swaminathan, Jaichander; Kharraz, Jehad; Chung, Hyung Won; Arafat, Hassan A.; Gleason, Karen K.; Lienhard V, John H. (2016). «Сочетание подзарядки воздухом и супергидрофобности мембраны для предотвращения загрязнения при мембранной дистилляции» (PDF) . Journal of Membrane Science . 505 : 241–252. doi :10.1016/j.memsci.2016.01.018. hdl : 1721.1/105438 . ISSN  0376-7388.
  15. ^ ab Wang, Kui; Abdalla, Ahmed A.; Khaleel, Mohammad A.; Hilal, Nidal; Khraisheh, Marwan K. (2017-01-02). «Механические свойства мембран для опреснения воды и очистки сточных вод». Опреснение . 50-я годовщина опреснения. 401 : 190–205. Bibcode :2017Desal.401..190W. doi :10.1016/j.desal.2016.06.032. ISSN  0011-9164.
  16. ^ Nghiem, Long D.; Schäfer, Andrea I. (2006-02-05). "Вскрытие загрязнения мембран МФ из полых волокон при рекультивации сточных вод". Опреснение . Интегрированные концепции в переработке воды. 188 (1): 113–121. Bibcode : 2006Desal.188..113N. doi : 10.1016/j.desal.2005.04.108. hdl : 1842/4122 . ISSN  0011-9164.
  17. ^ Зондерван, Эдвин; Звейненбург, Ари; Роффель, Брайан (15 августа 2007 г.). «Статистический анализ данных испытаний на ускоренное старение мембран PES UF». Журнал Membrane Science . 300 (1): 111–116. doi :10.1016/j.memsci.2007.05.015. ISSN  0376-7388.
  18. ^ Кавагучи, Такеюки; Тамура, Хироки (ноябрь 1984 г.). «Хлор-устойчивая мембрана для обратного осмоса. I. Корреляция между химическими структурами и хлоростойкостью полиамидов». Журнал прикладной полимерной науки . 29 (11): 3359–3367. doi :10.1002/app.1984.070291113.