Membranų atskyrimo technologija, pasižyminti dideliu efektyvumu, energijos taupymu ir naudojimo paprastumu, plačiai naudojama vandens valymo, maisto perdirbimo, biomedicinos ir chemijos pramonėje. Tačiau ilgai{1}}veikiant, membranos užsiteršimas išlieka pagrindine problema, ribojančia jos veikimą ir tarnavimo laiką. Ypač akytoms membranoms, tokioms kaip ultrafiltravimas, nanofiltravimas ir atvirkštinis osmosas, užsiteršimas ne tik sumažina srautą ir padidina energijos suvartojimą, bet ir gali negrįžtamai sugadinti membranos elementus. Taigi, kokie veiksniai turi įtakos membranos užsiteršimui? Nuo medžiagos savybių iki eksploatavimo sąlygų, šiame straipsnyje sistemingai apžvelgiami šeši pagrindiniai veiksniai, turintys įtakos membranos užteršimui, ir kartu su klasikinėmis teorinėmis formulėmis padeda suprasti pagrindines užteršimo priežastis mechanistiniu požiūriu.
I. Dalelių arba tirpios medžiagos dydis ir morfologija
Kai dalelės ar koloidai artėja prie membranos paviršiaus, jas veikia įvairios jėgos, įskaitant van der Waals jėgas, elektrostatines jėgas ir skysčio šlyties jėgas. Jei dalelės yra mažos arba sferinės, didesnė tikimybė, kad ant membranos paviršiaus susidarys tankiai supakuotas sluoksnis, sukeldamas užsikimšimą ir negrįžtamą užsiteršimą. Ir atvirkščiai, pluoštines arba dendritines daleles labiau veikia srauto lauko sutrikimai, todėl adsorbcija yra santykinai silpnesnė.
Ypač tada, kai dalelės yra įkraunamos, jonų stiprumas, krūvio pasiskirstymas ir membranos paviršiaus potencialas tirpale labai veikia užsiteršimo tendenciją. Pavyzdžiui, teigiamai įkrauti koloidai labiau adsorbuojasi ant neigiamo krūvio membranos paviršių, taip suformuodami „neutralizuotą adsorbcijos sluoksnį“. Be to, agreguoti koloidai arba polimerai yra nestabilūs skysčiuose, taip pat gali agreguotis ir nusėsti veikiami šlyties jėgų, pagreitindami membranos užsiteršimą.
II. Tirpios{1}}membranos sąveikos
Sąveikos jėgos tarp tirpios medžiagos ir membranos medžiagos yra vienas iš svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos membranos užsiteršimui. Remiantis mechanizmu, jas galima suskirstyti į elektrostatines jėgas, van der Waals jėgas, vandenilio ryšį ir sterines kliūtis.
1. Elektrostatinės jėgos
Jei membranos medžiagos paviršiuje yra įkrautų grupių (pvz., karboksilo arba amino grupių), įvyks elektrostatinė adsorbcija, kai tirpale esanti medžiaga neša priešingą krūvį, skatinant užteršimo sluoksnio susidarymą. Ir atvirkščiai, jei membrana ir tirpioji medžiaga turi tą patį krūvį, elektrostatinis atstūmimas padeda sumažinti užsiteršimą.
2. Van der Waals pajėgos
Tai universali tarpmolekulinė trauka, kuriai būdinga Hamakerio konstanta. Van der Waals jėgas tarp ištirpusios medžiagos ir membranos galima apskaičiuoti pagal šią formulę:
Kur H11, H22 ir H33 yra atitinkamai membranos medžiagos, tirpios medžiagos ir tirpalo Hamakerio konstantos.
Kuo mažesnė H213 reikšmė, tuo silpnesnė trauka tarp membranos ir ištirpusios medžiagos ir tuo mažesnė polinkis užsiteršti. Tai reiškia, kad parenkant membranines medžiagas reikėtų vengti stiprios molekulinės traukos su tirpia medžiaga. Pavyzdžiui, valant vandenį membraninės medžiagos, turinčios stiprų hidrofiliškumą ir mažą paviršiaus energiją, paprastai yra atsparesnės užteršimui.
3. Vandeniliniai ryšiai Vandeniliniai ryšiai yra didelės-energijos cheminių jungčių rūšis, ypač svarbi poliarinėms medžiagoms. Kai organiniai junginiai, kurių sudėtyje yra funkcinių grupių, tokių kaip hidroksilo ir karboksilo grupės, susiliečia su membranos paviršiumi, jie gali sudaryti vandenilio -sujungimo sluoksnį, o tai gali sukelti didelį užsiteršimą. Natūralios organinės molekulės (NOM) arba biomolekulės yra ypač linkusios sudaryti „organinį užteršimo sluoksnį“ ant membranos paviršiaus per vandenilinį ryšį.
4. Sterinė kliūtis Polimerų arba biomolekulių, turinčių ilgas molekulines grandines, judėjimas membranos porose arba paviršiuje yra ribotas. Kai sistemoje yra stiprių sterinių kliūčių, teršalai sunkiai priartėja prie membranos paviršiaus, todėl tam tikru mastu sumažėja užterštumas.
III. Membranos struktūra ir savybės
Membranos struktūrinės charakteristikos tiesiogiai nulemia jos apsaugą nuo užsiteršimo. Mikroskopiškai tokie parametrai kaip porų dydžio pasiskirstymas, paviršiaus šiurkštumas, krūvio charakteristikos ir hidrofiliškumas turi įtakos užterštumui.
1. Porų dydis ir porų struktūra
Ultrafiltracinės arba nanofiltracinės membranos su mažesniu porų dydžiu yra labiau linkusios sumažinti srautą dėl dalelių užsikimšimo. Jei porų dydis pasiskirsto netolygus arba yra odos defektų, užterštumas tampa sunkesnis. Tai paaiškina, kodėl tam tikros JAV kompanijos ultrafiltravimo membrana, kurios porų dydis iš pradžių buvo 0,02 mikrometrai, buvo mažo vienodo porų dydžio; Pastaraisiais metais jie išleido XP serijos ultrafiltravimo membranas su vienodesniu porų dydžiu.
2. Paviršiaus šiurkštumas
Šiurkštūs membranų paviršiai turi daugiau mikroporų ir griovelių, lengvai formuojančių lokalizuotas sustingimo zonas, sukeliančias teršalų kaupimąsi.
3. Hidrofiliškumas
Hidrofilinės membranos paprastai turi mažesnę paviršiaus energiją ir plonesnį adsorbcinį sluoksnį, leidžiantį vandens molekulėms lengvai suformuoti „hidratacijos plėvelę“ ant membranos paviršiaus ir taip slopinti organinių medžiagų nusėdimą. Hidrofiliškumas daugiausia priklauso nuo membranos kontaktinio kampo. Ši vertė paprastai nurodoma importuojamų produktų membranų vadovuose, į kuriuos skaitytojai gali vadovautis pirkdami membranas. Tačiau tai mažiau paplitusi vietinės gamybos membranų vadovuose.
4. Įkrovimo charakteristikos
Neigiamai įkrauti membranos paviršiai atstumia neigiamo krūvio koloidus ar daleles, sumažindami užsiteršimą. Tačiau, kai tirpale yra katijonų, gali įvykti krūvio neutralizavimas, dėl kurio sustiprėja adsorbcija. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl membrana greitai užsiteršia didelio-druskumo nuotekose.
IV. Tirpalo charakteristikų įtaka Tirpalo cheminės savybės turi didelę įtaką membranos užsiteršimui. Tai daugiausia apima: (1) pH keičia tirpios medžiagos ir membranos paviršiaus krūvio būseną, taip paveikdamas elektrostatinę sąveiką; (2) Didelis jonų stiprumas gali suspausti dvigubą sluoksnį, susilpninti elektrostatinį atstūmimą ir lengviau adsorbuoti teršalus, pvz., didelio druskingumo vandenyje; (3) Didėjant temperatūrai, sumažėja tirpalo klampumas, per trumpą laiką padidėja srautas, bet taip pat pagreitėja sąveika tarp organinių medžiagų ir membranos, todėl ilgainiui gali pablogėti užsiteršimas; (4) Tirpale esančios organinių medžiagų, koloidų ir metalo jonų sistemos sudėtingumas gali sukelti sudėtingą užsiteršimą.
V. Fizinės membranų savybės
Membranų fizinės savybės apima paviršiaus šiurkštumą, porų dydžio pasiskirstymą, poringumą ir paviršiaus krūvį. Lygūs membranos paviršiai yra mažiau linkę užsiteršti; vienodas porų dydžio pasiskirstymas užtikrina stabilų prasiskverbimo srautą ir lėtesnį užteršimo sluoksnio susidarymą. Be to, jei membranos medžiagos paviršius yra neigiamai įkrautas, jis gali sudaryti stabilų elektrostatinį barjerą vandenyje, neleidžiantį priartėti neigiamą krūvį turinčioms tirpioms medžiagoms; kai krūvis iš dalies neutralizuojamas arba membranos paviršiuje yra hidrofobinių sričių, jis labiau adsorbuoja organines medžiagas.
Todėl membranos struktūros optimizavimas medžiagų mokslo požiūriu yra svarbi užsiteršimo slopinimo kryptis. Pavyzdžiui, naudojant hidrofilines poliamido kompozicines membranas arba į membranos paviršių įvedant polines grupes, tokias kaip hidroksilo ir karboksilo grupes, gali žymiai pagerėti apsaugos nuo užsiteršimo savybės.
VI. Veikimo parametrai
Membraninės sistemos veikimo parametrai vaidina lemiamą vaidmenį formuojant nešvarumus. Pagrindiniai parametrai apima transmembraninį slėgio skirtumą (TMP), transmembraninį srauto greitį (CFV) ir srautą (J).
1. Srautas ir kritinis srautas
Kai srautas viršija tam tikrą ribą, užsiteršimo greitis smarkiai padidėja. Field ir kt. Pirmą kartą „kritinio srauto“ sąvoką pasiūlė 1995 m., kad apibūdintų kritinį užsiteršimo tašką.
Kai veikimo srautas yra mažesnis už kritinį srautą Jc, membranos paviršiuje nesusidarys negrįžtamas užsiteršimo sluoksnis; kai srautas viršija Jc, teršalai greitai nusėda, o atsparumas laikui bėgant didėja.
Ilgai-veikiant, sistema turi būti stabili, esant žemiau kritinio srauto, kontroliuojant tiekiamo vandens srautą ir transmembraninio slėgio skirtumą.
2. Šlyties jėga ir skysčio savybės
Didesnės šlyties jėgos padeda pašalinti užterštą sluoksnį nuo membranos paviršiaus, tačiau per didelės šlyties jėgos gali pažeisti membraną arba padidinti energijos sąnaudas. Todėl labai svarbu pasirinkti tinkamus srautus ir filtravimo metodus (pvz., kryžminį srauto{1}}filtravimą).
3. Temperatūra ir darbinis slėgis
Padidėjusi temperatūra sumažina skysčio klampumą ir padidina prasiskverbimo greitį, tačiau taip pat pagerina tirpių medžiagų adsorbciją. Per didelis darbinis slėgis gali sutankinti nešvarų sluoksnį, sudarydamas tankesnę blokavimo struktūrą.
Santrauka
Membranos užsiteršimas yra sudėtingas procesas, susijęs su daugybe susijusių veiksnių, turinčių įtakos tiek medžiagos savybėms, tiek eksploatavimo sąlygoms. Žvelgiant iš mechaninės perspektyvos, dalelių dydis, paviršiaus krūvis, molekulinės sąveikos jėgos, membranos medžiagos savybės ir skysčių dinamikos sąlygos kartu lemia užteršimo susidarymą ir raidą. Ateities membranos užteršimo kontrolės kryptys bus labiau sutelktos į: paviršiaus modifikavimą ir funkcinį membraninių medžiagų projektavimą, dinamišką veikimo valdymą ir kritinio srauto valdymą, tirpalo reguliavimą ir sąsajos energijos optimizavimą. Tik pradėdami nuo mikroskopinių sąveikų ir sistemingai suprasdami užteršimo mechanizmą, inžinerinėje praktikoje galime pasiekti aukštą membranų atskyrimo procesų efektyvumą ir tvarumą.