Membraanide eraldamise tehnoloogiat, mille eelised on kõrge efektiivsus, energiasäästlikkus ja kasutuslihtsus, kasutatakse laialdaselt veepuhastuses, toiduainete töötlemises, biomeditsiinis ja keemiatööstuses. Pikaajalisel-kasutamisel jääb membraani saastumine siiski võtmeprobleemiks, mis piirab selle jõudlust ja eluiga. Eriti poorsete membraanide puhul, nagu ultrafiltratsioon, nanofiltratsioon ja pöördosmoos, ei põhjusta saastumine mitte ainult voolu vähenemist ja energiatarbimise suurenemist, vaid võib põhjustada ka pöördumatuid kahjustusi membraanielementidele. Niisiis, millised tegurid mõjutavad membraani saastumist? Alates materjali omadustest kuni töötingimusteni, selles artiklis vaadeldakse süstemaatiliselt kuut peamist membraani saastumist mõjutavat tegurit ja koos klassikaliste teoreetiliste valemitega juhendatakse teid mõistma saastumise algpõhjuseid mehaanilisest vaatenurgast.
I. Osakeste või lahustunud aine suurus ja morfoloogia
Kui osakesed või kolloidid lähenevad membraani pinnale, mõjuvad neile erinevad jõud, sealhulgas van der Waalsi jõud, elektrostaatilised jõud ja vedeliku nihkejõud. Kui osakeste suurus on väike või sfääriline, moodustavad need tõenäolisemalt membraani pinnale tihedalt pakitud kihi, põhjustades ummistusi ja pöördumatut saastumist. Vastupidi, kiud- või dendriitosakesi mõjutavad vooluvälja häired rohkem, mille tulemuseks on suhteliselt nõrgem adsorptsioon.
Eriti siis, kui osakesed on laetud, mõjutavad ioontugevus, laengu jaotus ja membraani pinnapotentsiaal lahuses märkimisväärselt saastumise kalduvust. Näiteks positiivselt laetud kolloidid adsorbeeruvad tõenäolisemalt negatiivselt laetud membraanipindadele, moodustades nii "neutraliseeritud adsorptsioonikihi". Lisaks on agregeerunud kolloidid või polümeerid vedelikes ebastabiilsed ning võivad agregeeruda ja ladestuda nihkejõudude mõjul, kiirendades membraani saastumist.
II. Lahustu{1}}membraani interaktsioonid
Interaktsioonijõud lahustunud aine ja membraanimaterjali vahel on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad membraani saastumist. Mehhanismi alusel saab need liigitada elektrostaatilisteks jõududeks, van der Waalsi jõududeks, vesiniksidemeteks ja steerilisteks takistusteks.
1. Elektrostaatilised jõud
Kui membraanimaterjali pinnal on laetud rühmi (nagu karboksüül- või amiinirühmad), toimub elektrostaatiline adsorptsioon, kui lahuses olev aine kannab vastupidist laengut, soodustades saastekihi moodustumist. Ja vastupidi, kui membraanil ja lahustunud ainel on sama laeng, aitab elektrostaatiline tõrjumine vähendada saastumist.
2. Van der Waalsi väed
See on universaalne molekulidevaheline atraktsioon, mida iseloomustab Hamakeri konstant. Van der Waalsi jõud lahustunud aine ja membraani vahel saab arvutada järgmise valemi abil:
Kus H11, H22 ja H33 on vastavalt membraanimaterjali, lahustunud aine ja lahuse Hamakeri konstandid.
Mida väiksem on H213 väärtus, seda nõrgem on külgetõmme membraani ja lahustunud aine vahel ning seda väiksem on kalduvus saastumisele. See tähendab, et membraanimaterjalide valikul tuleks vältida tugeva molekulaarse külgetõmbe tekitamist lahustunud ainega. Näiteks veepuhastuses on tugeva hüdrofiilsusega ja madala pinnaenergiaga membraanmaterjalid määrdumise suhtes üldiselt vastupidavamad.
3. Vesinikside Vesiniksidemed on teatud tüüpi kõrge -energiaga keemilised sidemed, mis on eriti olulised polaarsete lahustunud ainete jaoks. Kui orgaanilised ühendid, mis sisaldavad funktsionaalseid rühmi, nagu hüdroksüül- ja karboksüülrühmad, puutuvad kokku membraani pinnaga, võivad need moodustada vesinik{3}}seotud kihi, mis põhjustab tugevat saastumist. Looduslikud orgaanilised molekulid (NOM) või biomolekulid on eriti altid vesiniksideme kaudu membraani pinnale "orgaanilise saastekihi" moodustamiseks.
4. Steeriline takistus Pikkade molekulaarsete ahelatega polümeeride või biomolekulide puhul on liikumine membraani poorides või pinnal ruumiliselt piiratud. Kui süsteemis on tugev steeriline takistus, on saasteainetel raske membraani pinnale ligi pääseda, vähendades seega mingil määral saastumist.
III. Membraani struktuur ja omadused
Membraani struktuursed omadused määravad otseselt selle saastumisvastase toime. Mikroskoopiliselt mõjutavad saastumist sellised parameetrid nagu pooride suuruse jaotus, pinna karedus, laengu omadused ja hüdrofiilsus.
1. Pooride suurus ja struktuur
Väiksemate pooride suurusega ultrafiltreerimis- või nanofiltratsioonimembraanid on osakeste ummistumise tõttu altid voolu vähenemisele. Kui pooride suuruse jaotus on ebaühtlane või esineb naha defekte, muutub saastumine tugevamaks. See seletab, miks teatud USA ettevõtte ultrafiltratsioonimembraanil, mille pooride suurus oli algselt 0,02 mikromeetrit, oli pooride suuruse ühtlus väike; viimastel aastatel on nad turule toonud XP-seeria ühtlasema poorisuurusega ultrafiltratsioonimembraanid.
2. Pinna karedus
Karedatel membraanipindadel on rohkem mikropoore ja sooni, mis moodustavad kergesti lokaalseid seisvaid tsoone, põhjustades saasteainete kuhjumist.
3. Hüdrofiilsus
Hüdrofiilsetel membraanidel on tavaliselt madalam pinnaenergia ja õhem adsorptsioonikiht, mis võimaldab veemolekulidel kergesti moodustada membraani pinnale "hüdratatsioonikile", takistades seeläbi orgaanilise aine ladestumist. Hüdrofiilsus sõltub peamiselt membraani kontaktnurgast. Tavaliselt on see väärtus toodud imporditud toodete membraanide juhendites, millele lugejad saavad membraane ostes viidata. Kodumaiste membraanide juhendites on see aga vähem levinud.
4. Laengu omadused
Negatiivse laenguga membraanipinnad tõrjuvad negatiivselt laetud kolloide või osakesi, vähendades saastumist. Kui lahus sisaldab katioone, võib aga toimuda laengu neutraliseerimine, mis viib adsorptsiooni paranemiseni. See on üks põhjus, miks suure soolsusega reovees on membraani määrdumine kiire.
IV. Lahuse omaduste mõju Lahuse keemilised omadused mõjutavad oluliselt membraani saastumist. Need hõlmavad peamiselt järgmist: (1) pH muudab lahustunud aine ja membraani pinna laengu olekut, mõjutades seega elektrostaatilisi vastastikmõjusid; (2) Kõrge ioontugevus võib kahekihilise kihi kokku suruda, nõrgendades elektrostaatilist tõukejõudu ja muutes saasteained hõlpsamini adsorbeeritavaks, näiteks suure soolsusega vees; (3) Temperatuuri tõus vähendab lahuse viskoossust, suurendab voolu lühiajaliselt, kuid kiirendab ka orgaanilise aine ja membraani vahelist koostoimet, mis võib pikemas perspektiivis süvendada saastumist; (4) Lahuses oleva orgaanilise aine, kolloidide ja metalliioonide kooseksisteeriva süsteemi keerukus võib põhjustada keerukat saastumist.
V. Membraanide füüsikalised omadused
Membraanide füüsikaliste omaduste hulka kuuluvad pinna karedus, pooride suuruse jaotus, poorsus ja pinnalaeng. Siledad membraanipinnad on vähem altid saastumisele; ühtlane pooride suuruse jaotus tagab stabiilse permeaadi voolu ja aeglasema saastekihi moodustumise. Veelgi enam, kui membraani materjali pind on negatiivselt laetud, võib see moodustada vees stabiilse elektrostaatilise barjääri, takistades negatiivselt laetud lahustunud ainete lähenemist; kui laeng on osaliselt neutraliseeritud või membraani pind sisaldab hüdrofoobseid piirkondi, adsorbeerib see tõenäolisemalt orgaanilist ainet.
Seetõttu on membraani struktuuri optimeerimine materjaliteaduse vaatenurgast oluline suund saastumise tõkestamiseks. Näiteks võib hüdrofiilsete polüamiidkomposiitmembraanide kasutamine või polaarsete rühmade, näiteks hüdroksüül- ja karboksüülrühmade lisamine membraani pinnale, oluliselt suurendada saastumisvastaseid omadusi.
VI. Tööparameetrid
Membraanisüsteemi tööparameetrid mängivad saastumise tekkimisel otsustavat rolli. Peamised parameetrid hõlmavad transmembraanset rõhu erinevust (TMP), transmembraanset voolukiirust (CFV) ja voogu (J).
1. Voog ja kriitiline voog
Kui voog ületab teatud piiri, suureneb saastumise määr järsult. Field et al. Esimest korda pakkus "kriitilise voo" mõiste välja 1995. aastal, et kirjeldada saastumise kriitilist punkti.
Kui töövoog on alla kriitilise voolu Jc, ei teki membraani pinnale pöördumatut saastekihti; kui voog ületab Jc, sadestuvad saasteained kiiresti ja vastupidavus aja jooksul suureneb.
Pikaajalise töötamise ajal- peaks süsteem hoidma stabiilsena kriitilisest voolust madalamal vahemikus, reguleerides toitevee voolukiirust ja transmembraani rõhuerinevust.
2. Nihkejõu ja vedeliku omadused
Suuremad nihkejõud aitavad eemaldada saastekihi membraani pinnalt, kuid liigsed nihkejõud võivad membraani kahjustada või suurendada energiatarbimist. Seetõttu on sobivate voolukiiruste ja filtreerimismeetodite (nt rist-filtreerimine) valimine ülioluline.
3. Temperatuur ja töörõhk
Suurenenud temperatuur vähendab vedeliku viskoossust ja suurendab läbilaskevõimet, kuid suurendab ka lahustunud aine adsorptsiooni. Liiga kõrge töörõhk võib saastekihi tihendada, moodustades tihedama ummistusstruktuuri.
Kokkuvõte
Membraani saastumine on keeruline protsess, mis hõlmab mitmeid seotud tegureid, mida mõjutavad nii materjali omadused kui ka töötingimused. Mehhaanilisest vaatenurgast määravad osakeste suurus, pinnalaeng, molekulaarsed interaktsioonijõud, membraanimaterjali omadused ja vedeliku dünaamika tingimused ühiselt saastumise tekke ja arengu. Membraani saastumise kontrollimise tulevased suunad keskenduvad rohkem: pinna muutmisele ja membraanimaterjalide funktsionaalsele disainile, dünaamilisele töö juhtimisele ja kriitilise voo juhtimisele, lahenduste reguleerimisele ja liidese energia optimeerimisele. Ainult mikroskoopilistest interaktsioonidest lähtudes ja saastumise mehhanismi süstemaatiliselt mõistmisel saame inseneripraktikas saavutada membraanide eraldamise protsesside kõrge efektiivsuse ja jätkusuutlikkuse.