Загрязнение мембраны
Загрязнение мембраны – это процесс, при котором раствор или частица откладывается 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] так что производительность мембраны ухудшается. Это является серьезным препятствием на пути широкого использования этой технологии . мембраны Загрязнение может привести к серьезному снижению 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 , грибы ), органические ( масла , полиэлектролиты , гуминовые кислоты ) и накипи (минеральные осадки). [6]
Засорение можно разделить на обратимое и необратимое в зависимости от силы прикрепления частиц к поверхности мембраны. Обратимые загрязнения можно удалить с помощью сильного сдвигающего усилия или обратной промывки . Формирование прочной матрицы слоя загрязнения с растворенным веществом во время непрерывного процесса фильтрации приведет к преобразованию обратимого слоя загрязнения в необратимый слой загрязнения. Необратимое загрязнение – это сильное прилипание частиц, которые невозможно удалить физической очисткой. [7]
Факторы влияния
[ редактировать ]Факторы, влияющие на загрязнение мембраны:
Недавние фундаментальные исследования показывают, что на загрязнение мембран влияют многочисленные факторы, такие как гидродинамика системы, условия эксплуатации, [8] свойства мембраны и свойства материала (растворенного вещества). При низком давлении, низкой концентрации и высокой скорости подачи эффекты концентрационной поляризации минимальны, а поток почти пропорционален разнице трансмембранного давления. Однако в диапазоне высоких давлений поток становится практически независимым от приложенного давления. [9] Отклонение от линейной зависимости поток-давление обусловлено концентрационной поляризацией . При малом расходе сырья или при его высокой концентрации ситуация предельного потока наблюдается даже при относительно низких давлениях.
Измерение
[ редактировать ]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 при постоянном давлении поток снижается 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
[ редактировать ]Несмотря на то, что загрязнение мембраны является неизбежным явлением во время мембранной фильтрации , его можно свести к минимуму с помощью таких стратегий, как очистка, правильный выбор мембраны и выбор условий эксплуатации.
Мембраны можно очищать физически, биологически или химически. Физическая очистка включает в себя промывку газом, губками, водяными струями или обратную промывку пермеатом. [10] или сжатый воздух. [11] используются биоциды При биологической очистке для удаления всех жизнеспособных микроорганизмов , тогда как при химической очистке используются кислоты и основания для удаления загрязнений и загрязнений.
Кроме того, исследователи изучили влияние различных покрытий на устойчивость к износу. Исследование, проведенное в 2018 году Глобальным центром водных инноваций в Японии, показало улучшение свойств шероховатости поверхности ПА-мембран за счет покрытия их многостенными углеродными нанотрубками. [12]
Другой стратегией минимизации загрязнения мембраны является использование мембраны, подходящей для конкретной операции. Сначала необходимо узнать природу питательной воды; затем выбирается мембрана, менее склонная к загрязнению этим раствором. Для водной фильтрации мембрана . гидрофильная предпочтительна [13] Для мембранной дистилляции предпочтительна гидрофобная мембрана. [14]
Условия эксплуатации во время мембранной фильтрации также имеют жизненно важное значение, поскольку они могут повлиять на условия загрязнения во время фильтрации. Например, фильтрация с поперечным потоком часто предпочтительнее тупиковой фильтрации , поскольку турбулентность, возникающая во время фильтрации, приводит к образованию более тонкого слоя отложений и, следовательно, сводит к минимуму засорение (например, эффект трубчатого защемления ). В некоторых приложениях, например, во многих приложениях MBR, продувка воздухом используется для создания турбулентности на поверхности мембраны.
Влияние загрязнения на механические свойства мембран
[ редактировать ]Рабочие характеристики мембраны могут ухудшиться из-за механического разрушения, вызванного 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.
Прямые последствия загрязнения
[ редактировать ]Важно отметить, что большинство коммерчески используемых мембран представляют собой полимеры, такие как поливинилиденфторид (ПВДФ), полиакрилонитрил (ПАН), полиэфирсульфон (ПЭС) и полиамид (ПА), которые представляют собой материалы, обладающие желаемыми свойствами (эластичностью и прочностью) для выдерживать постоянное осмотическое давление. [15] Однако накопление загрязнений ухудшает эти свойства из-за физических изменений в структуре мембраны.
Накопление загрязнений может привести к образованию трещин, шероховатости поверхности и изменению распределения пор по размерам. [15] Эти физические изменения являются результатом воздействия твердого материала на мягкую полимерную мембрану, ослабляющего ее структурную целостность. Деградация механической структуры делает мембраны более восприимчивыми к механическим повреждениям, что потенциально снижает общий срок их службы. Исследование 2006 года выявило эту деградацию при одноосном растяжении полых волокон , которые были как чистыми, так и загрязненными. Исследователи сообщили об относительном охрупчивании загрязненных волокон. [16]
Косвенное воздействие загрязнения
[ редактировать ]Помимо прямого физического повреждения, загрязнение может также оказывать косвенное воздействие на механические свойства мембраны из-за стратегий, используемых для борьбы с ним. При обратной промывке не только частицы, но и мембрана подвергаются воздействию сильных сдвиговых сил. Таким образом, более высокая частота загрязнения подвергает мембрану циклической нагрузке, которая может привести к усталостному разрушению . Это процесс, при котором существующие дефекты мембраны (например, микротрещины) могут расти и распространяться из-за сложной динамики напряженного состояния. Эти воздействия известны; Исследование 2007 года моделировало старение с помощью циклических импульсов обратной промывки и сообщило о аналогичном охрупчивании из-за этих эффектов. [17]
Кроме того, повторяющаяся химическая обработка загрязнений подвергает мембраны воздействию чрезмерного количества хлора или других химикатов для обработки, которые могут вызвать деградацию. [18] Эта химическая деградация может привести к расслоению компонентов мембраны, что в конечном итоге приведет к выходу из строя.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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. дои : 10.1016/j.seppur.2007.05.040 .
- ^ Варсингер, Дэвид М.; Тау, Эмили В.; Масваде, Лэйт А.; Коннорс, Грейс Б.; Сваминатан, Джайчандер; Линхард В., Джон Х. (2018). «Уменьшение неорганического загрязнения за счет циклического изменения солености в периодическом обратном осмосе» . Исследования воды . 137 : 384–394. Бибкод : 2018WatRe.137..384W . дои : 10.1016/j.watres.2018.01.060 . hdl : 1721.1/114637 . ISSN 0043-1354 . ПМИД 29573825 .
- ^ Jump up to: а б Тау, Эмили В.; Варсингер, Дэвид М.; Верно, Али М.; Сваминатан, Джайчандер; Тиль, Грегори П.; Зубайр, Сайед М.; Майерсон, Аллан С.; Линхард В., Джон Х. (2018). «Сравнение склонности к загрязнению между обратным осмосом, прямым осмосом и мембранной дистилляцией». Журнал мембранной науки . 556 : 352–364. дои : 10.1016/j.memsci.2018.03.065 . hdl : 1721.1/115270 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Варсингер, Дэвид М.; Сваминатан, Джайчандер; Гильен-Бурьеза, Елена; Арафат, Хасан А.; Линхард В., Джон Х. (2015). «Накипь и загрязнение при мембранной дистилляции для опреснения: обзор» (PDF) . Опреснение . 356 : 294–313. Бибкод : 2015Desal.356..294W . дои : 10.1016/j.desal.2014.06.031 . hdl : 1721.1/102497 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Хон, Сынгван; Элимелех, Менахем (1997). «Химические и физические аспекты загрязнения естественным органическим веществом (НОМ) нанофильтрационных мембран». Журнал мембранной науки . 132 (2): 159–181. дои : 10.1016/s0376-7388(97)00060-4 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Бейкер, RW (2004). Мембранные технологии и применения, Англия: John Wiley & Sons Ltd.
- ^ Чой, Х., Чжан, К., Дионисиу, Д.Д., Оертер, Д.Б. и Сориал, Г.А. (2005) Влияние потока пермеата и тангенциального потока на загрязнение мембран при очистке сточных вод. J. Технология разделения и очистки 45: 68-78.
- ^ Jump up to: а б Варсингер, Дэвид М.; Тау, Эмили В.; Сваминатан, Джайчандер; Линхард В., Джон Х. (2017). «Теоретическая основа прогнозирования неорганического загрязнения при мембранной дистилляции и экспериментальная проверка с помощью сульфата кальция» (PDF) . Журнал мембранной науки . 528 : 381–390. дои : 10.1016/j.memsci.2017.01.031 . hdl : 1721.1/107916 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Гош, Р., 2006, Принципы инженерии биосепарации, World Scientific Publishing Pvt Ltd.
- ^ Либерман, Борис (2018). «Три метода очистки прямым осмосом мембран обратного осмоса». Опреснение . 431 : 22–26. Бибкод : 2018Desal.431...22L . дои : 10.1016/j.desal.2017.11.023 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Варсингер, Дэвид М.; Серви, Амелия; Коннорс, Грейс Б.; Мавукканди, Мустафа О.; Арафат, Хасан А.; Глисон, Карен К.; Линхард В., Джон Х. (2017). «Обратное смачивание мембран при мембранной дистилляции: сравнение сушки с обратной промывкой воздухом под давлением». Наука об окружающей среде: водные исследования и технологии . 3 (5): 930–939. дои : 10.1039/c7ew00085e . hdl : 1721.1/118392 . ISSN 2053-1400 .
- ^ Ортис-Медина, Дж.; Инукай, С.; Араки, Т.; Морелос-Гомес, А.; Круз-Сильва, Р.; Такеучи, К.; Ногучи, Т.; Кавагути, Т.; Терронес, М.; Эндо, М. (09 февраля 2018 г.). «Надежные мембраны для опреснения воды от деградации с использованием высоких нагрузок углеродных нанотрубок» . Научные отчеты . 8 (1): 2748. Бибкод : 2018НатСР...8.2748О . дои : 10.1038/s41598-018-21192-5 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 5807517 . ПМИД 29426871 .
- ^ Гусен, МИД; Саблани, СС; Аль-Хинай, Х.; Аль-Обейдани, С.; Аль-Белуши, Р.; Джексон, Д. (2 января 2005 г.). «Загрязнение мембран обратного осмоса и ультрафильтрации: критический обзор». Разделение науки и техники . 39 (10): 2261–2297. дои : 10.1081/ss-120039343 . ISSN 0149-6395 .
- ^ Варсингер, Дэвид М.; Серви, Амелия; Ван Беллегем, Сара; Гонсалес, Джоселин; Сваминатан, Джайчандер; Харраз, Джихад; Чон, Хён Вон; Арафат, Хасан А.; Глисон, Карен К.; Линхард В., Джон Х. (2016). «Сочетание подпитки воздухом и супергидрофобности мембраны для предотвращения загрязнения при мембранной дистилляции» (PDF) . Журнал мембранной науки . 505 : 241–252. дои : 10.1016/j.memsci.2016.01.018 . hdl : 1721.1/105438 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Jump up to: а б Ван, Куй; Абдалла, Ахмед А.; Халил, Мохаммед А.; Хилал, Нидал; Храйше, Марван К. (2 января 2017 г.). «Механические свойства мембран для опреснения и очистки сточных вод» . Опреснение . 50-летие опреснения. 401 : 190–205. Бибкод : 2017Desal.401..190W . дои : 10.1016/j.desal.2016.06.032 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Нгием, Лонг Д.; Шефер, Андреа И. (5 февраля 2006 г.). «Вскрытие загрязнений половолоконных мембран MF при рекультивации сточных вод» . Опреснение . Интегрированные концепции рециркуляции воды. 188 (1): 113–121. Бибкод : 2006Desal.188..113N . дои : 10.1016/j.desal.2005.04.108 . hdl : 1842/4122 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Зондерван, Эдвин; Звиненбург, Арье; Роффель, Брайан (15 августа 2007 г.). «Статистический анализ данных испытаний на ускоренное старение PES UF мембран» . Журнал мембранной науки . 300 (1): 111–116. дои : 10.1016/j.memsci.2007.05.015 . ISSN 0376-7388 .
- ^ Кавагути, Такеюки; Тамура, Хироки (ноябрь 1984 г.). «Хлорстойкая мембрана для обратного осмоса. I. Взаимосвязь химического строения и хлоростойкости полиамидов» . Журнал прикладной науки о полимерах . 29 (11): 3359–3367. дои : 10.1002/app.1984.070291113 .