한외여과막 오염의 메커니즘 및 제어

다음은 한외여과막 오염의 메커니즘과 모델을 간략하게 소개합니다.

시험 결과, 막오염을 일으키는 주요 요인으로는 막재료의 특성, 막재료와 처리액의 상호작용, 처리액의 농도 및 유속 등이 있는 것으로 나타났다.

막 오염 문제는 막 재료의 특성을 개선하고 막과 처리액 간의 매개변수 매칭을 합리적으로 처리함으로써 효과적으로 해결될 수 있습니다.

 

01 상하수도 산업에 멤브레인 기술 적용

 

급배수 분야에서 한외여과막이 광범위하게 적용됨에 따라 시스템 작동 중, 특히 폐수 처리 분야에서 막 오염으로 인한 여과 저항이 지속적으로 증가하고 있으며 막 여과의 심각한 감쇠가 발생하고 있습니다. 플럭스는 이 기술의 적용과 홍보를 방해하는 핵심 요소입니다. 본 논문은 한외여과막 오염 실험의 오염 조절 요인을 요약하여 상하수도 분야에서 막 기술의 효과적인 적용에 대한 이해를 높이는 것을 목표로 한다.

 

02 한외여과막 오염의 메커니즘 및 모델

 

2.1 오염의 메커니즘과 모델

이론적으로 말하면, 흡착 과정에서 용질과 용매 사이 또는 흡착제 혼합물(막)의 성분 사이에 항상 경쟁적인 흡착이 있기 때문에 막 표면의 용액의 흡착 과정은 복잡하므로 흡착 등온선은 다음과 같습니다. 겉보기 등온 흡착선을 측정하고 적절한 증기 흡착 데이터를 추가하여 용액을 계산해야 합니다. 그러나 실제로 질적인 관점에서 볼 때, 용질에 대한 막의 흡착은 둘 사이의 극성과 밀접한 관련이 있으며, 극성 물질의 막은 극성 물질을 강하게 흡착하는 경향이 있으며, 비극성 물질의 흡착은 훨씬 약합니다. 반대로, 비극성 물질의 막은 비극성 용질을 흡착할 가능성이 더 높습니다.

한편, 유사한 용해도의 원리에 따라 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹고, 비극성 용질은 비극성 용매에 잘 녹는다. 용해되기 쉬울수록 막 표면에 흡착될 가능성이 줄어듭니다. 요약하면, 용질의 극성이 용매에 가까울수록, 막에 반대일수록 막 표면에 용질이 흡착되는 양은 적습니다. 미시적인 관점에서 볼 때, 막 표면에서의 흡착의 어려움과 흡착층의 안정성은 거대분자 용질, 막 표면 및 거대분자 용질 사이의 상호작용력과 관련이 있습니다. 이들 사이의 힘은 일반적으로 반데르발스 힘과 이중층 힘으로 나누어진다.

 

2.1.1 반데르발스 힘

두 물체 사이의 반 고흐 힘의 크기는 Hamaker 비례 상수 H로 특징지어질 수 있습니다. 물(1), 용질(2) 및 막(3)의 삼원계의 경우: H213=[H111/{ {5}} (H22 ×H33) 1/4] 식 2에서 H11, H22, H33은 각각 물, 용질, 막의 하메이커 상수이다. 소수성 막인 H33이 감소했습니다. 소수성 용질의 경우 H22가 감소했습니다. 둘 다 H213의 증가로 이어질 수 있으며, 막과 용질 사이의 팬 힘을 증가시키고 막 표면의 오염을 악화시킬 수 있습니다. 따라서 소수성 막과 용질 모두 막 표면을 오염에 더 취약하게 만듭니다.

 

2.1.2 이중 전기층의 힘

막이 용액과 접촉하면 이온 흡착, 쌍극자 배향, 수소 결합 및 기타 효과로 인해 막 표면이 전하를 띠게 되며, 표면 전하는 표면 근처 용액의 이온 분포에 영향을 미칠 수 있습니다. 서로 다른 전하를 가진 이온은 표면 전하에 끌려 막 표면으로 이동하는 경향이 있습니다. 동일한 전하를 가진 이온은 표면 전하에 의해 반발되어 막 표면에서 멀리 떨어져 있기 때문에 막 표면 근처 용액의 양이온과 음이온이 서로 분리됩니다. 동시에, 열 운동으로 인해 양이온과 음이온이 균일한 혼합으로 돌아가려는 경향이 있습니다. 이러한 두 가지 반대 경향의 결합으로 과잉 이종 이온은 대전된 필름 표면 근처의 매질에 확산되어 이중층을 형성합니다. 막의 전기화가 용액의 전기화와 같을 때 오염 흡착량은 작습니다. 대신 흡수력은 더 큽니다. 막 표면에 흡착된 오염물질의 양은 위의 두 가지 힘이 결합된 결과에 따라 달라집니다.

 

막 오염의 흡착 모델은 Gibbs 흡착 방정식과 Fredrich 흡착 방정식으로 표현될 수 있습니다. 그중 Gibbs 흡착 방정식은 등온 조건에서의 흡착 관계에 중점을 둡니다.

흡착열이 표면 피복 정도와 관련된 경우 Friedrich 방정식이 사용됩니다.

Γ＝k×c1／n …………………………………2．2

여기서, Γ는 단위 면적당 필름의 오염 흡착 용량입니다.

k, n은 상관 상수이고 c는 용액의 평형 농도입니다.

 

03 막오염 관리

막 오염의 메커니즘 및 흡착 모델에 따라 막 오염은 다음 요소를 조정하여 제어할 수 있습니다: 막 재료의 친수성 특성; 막 재료의 충전 특성; 처리액의 농도; 처리액의 유량.

본 논문에서는 막 오염에 대한 다양한 요인의 변화를 제어하기 위해 관련 실험을 통해 위의 4가지 막 오염의 영향 요인을 연구하였다.

 

3.1 실험장비 및 재료

본 실험에 사용된 장비로는 자체 제작한 판형 울트라필터, 자체 제작한 공급액 탱크, 초항온 수조, WZJ-II 정량 순환 펌프, C14 동위원소 측정기, 석영 스프링 눈금, 신장 측정기 등이 포함됩니다.

사용된 재료는 표준 BSA 용액, 제조된 알코올 발효액, 폴리설폰(PS), 폴리설폰 아미드(PSA), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 분자량 30000의 아세테이트 섬유판 한외여과막입니다.

 

3.2 실험 사이클 흐름 및 제어 조건

먼저, 한외여과조의 크기와 형태에 따라 다양한 재질의 한외여과막을 블록화한 후, 순수에 24시간 동안 담가둔 후, 젖은 필름의 무게를 측정한다. 그런 다음 동일한 방법으로 제조된 알코올 발효액 또는 농도가 다른 표준 BSA 용액을 각각 공급액 탱크에 붓습니다. 이 과정은 그림 1과 같은 과정에 따라 항온 및 기압 순환이 이루어진다. 한외여과막의 흡착평형 이후, 흡착평형 이후의 막 블록의 중량을 결정하여 실험막의 평형 흡착량을 결정한다. 차단하다.

표준 BSA 용액과 알코올 발효 용액의 막 중량은 각각 C14 동위원소법과 석영 스프링 저울 및 높이 측정기를 사용하여 결정되었습니다. 공급액의 유량은 조절밸브와 측정펌프에 의해 조절되며, 스톱워치와 측정실린더에 의해 측정됩니다. 알코올 발효액의 pH 값은 PHB-4 pH 측정기로 측정하였고, 각각 1N HCl과 NaOH 용액으로 조정하였다.

 

3.3 실험 결과 및 논의

3.3.1 분리막 소재의 친수성 실험

가장 대표적인 친수성 분리막 소재인 아세테이트 섬유 한외여과막(CA)과 가장 대표적인 소수성 분리막 소재인 폴리술폰 한외여과막(PS)을 선택하여 표준 BSA 용액에서의 평형 흡착 시험 비교 실험을 진행하고, 측정된 막 오염도의 평형 곡선 그림 2에서 볼 수 있듯이 BSA 오염 평형에 대한 소수성 PS 막의 흡착 용량은 약 1.0mg/m2로 친수성 CA 막의 5배입니다. 동일한 조건에서 오염평형 흡착능력에 도달하는 시간은 60분으로 CA 멤브레인의 6배에 달합니다. 친수성 물질로 만들어진 막은 Hamaker의 증가로 인해 H213을 감소시켜 막 물질과 용질 사이의 Fan force를 감소시켜 막 표면의 오염 수준을 효과적으로 감소시키는 것을 볼 수 있다. 매개변수 C, T, R 및 Γ를 결정한 후 Γ는 θ에 의해서만 변경된다는 것을 Gibbs 방정식에서 명확하게 볼 수 있습니다. 물질의 소수성이 강할수록 d(COSθ)/dC가 클수록 막 오염은 더욱 심각해집니다.
 

실험 결과, 친수성 막은 오염 평형 흡착 능력이 낮다는 장점이 있는 것으로 나타났습니다. 소수성 막은 오염 흡착 평형에 도달하는 데 오랜 시간이 걸린다는 장점이 있습니다. 따라서 실제로 현재 외국의 한외여과막은 일반적으로 소수성 기저막을 기반으로 한 복합 친수성 물질의 실시를 채택하여 막 표면의 오염을 줄일 뿐만 아니라 오염물질의 흡착 균형에 도달하는 시간을 연장합니다. 한외 여과막의 성능을 효과적으로 향상시키는 막 표면의.

 

3.3.2 막재료의 대전특성 실험

비교 실험을 위해 보다 대표적인 양전하 PAN 필름과 음전하 PAN 필름을 선택했습니다. 실험 조건은 공기압 작동; 온도: 25도; 발효액 농도: 0.333 g/L; pH는 3.5입니다. 유량: 43.7cm/분.

표 1과 그림 3은 각각 알코올 발효액 내 양전하 및 음전하 폴리아크릴로니트릴 한외여과막(PAN)의 평형 오염 흡착 용량과 흡착 평형 곡선을 보여줍니다. 다이어그램 분석에서 알 수 있듯이 산성 양전하 알코올 발효 용액 환경에서 양전하 PAN 한외여과막의 평형 흡착 용량은 음전하 PAN 막의 흡착 용량보다 훨씬 낮습니다. pH 값이 낮을수록 용액의 양성성이 강해지고 두 막의 오염 평형 흡착 능력 차이가 커지며, 용액의 pH 값이 등전점에 가까울수록 막의 흡착 능력이 커집니다. 두 멤브레인은 일관된 경향이 있으며 두 멤브레인의 최대 흡착 용량 간의 차이는 75% 이상에 도달할 수 있습니다.

이중 전기층의 효과로 인해 막과 용액 전하(pH 값) 사이의 관계가 막 오염에 매우 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있습니다. 막의 전하가 용액의 전하와 같을 때, 포획된 용질은 일반적으로 막 표면에서 멀리 떨어져 있으므로 오염이 덜 발생합니다. 막의 전하와 용액의 전하가 반대이면 갇힌 용질이 쉽게 흡착되어 막 표면에 침전되어 더 큰 오염을 초래합니다.

따라서 급배수 처리, 특히 폐수 처리 공정에서는 처리액(보통 pH로 표시)의 충전에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 처리액이 산성인 경우 양전하를 띤 한외여과막을 선택합니다. 처리액이 알칼리성인 경우 음전하를 띤 한외여과막이 선택됩니다.

 

3.3.3 처리액의 농도

Fredrich 방정식 Γ= k×c1/n에 따라 폴리알루미늄(PS), 폴리알루미드(PSA), 폴리아크릴로니트릴(PAN) 및 아세테이트 섬유(CA)의 네 가지 재료로 구성된 한외여과막을 선택하여 결정했습니다. 농도가 다른 알코올 발효액에서 오염이 형성됩니다. 실험 조건은 다음과 같다: 압력; 공기압 작동; 온도; 25도; 발효액 유량: 43.7cm/min. 실험 결과는 표 2에 나와 있습니다.

표 2의 데이터를 선형 회귀분석하여 4가지 막오염물질의 흡착능력에 대한 Fredrich 방정식을 다음과 같이 구하였다.

S막:Γ={{0}}．4415·C0.3616 …………………3.1

PSA 막:Γ={{0}}．0463·C0.6981 ……………3.2

PAN 막:Γ={{0}}.0453·C0.6299 ……………3.3

CA 막:Γ={{0}}.0126·C0.9729 ……………3.4
위의 식을 통해 도막 표면의 오염물질 흡착량은 처리액의 농도와 직접적인 관련이 있음을 알 수 있다. 처리액의 농도가 높을수록 막 표면의 오염이 강해집니다. 친수성 필름의 경우 농도 변화에 따른 표면 오염 증가가 소수성 필름 오염 증가보다 큽니다. 따라서 수처리, 특히 하수 처리 산업에서 여과수 역류 희석 및 처리액의 농도를 낮추는 기타 수단을 사용하는 것은 필름 표면의 오염을 제어하고 줄이는 데 중요한 영향을 미칩니다.

 

3.3.4 처리액의 유량

처리액의 유속이 막의 표면 오염에 미치는 영향을 CA와 PS 막의 유속별 오염 흡착 실험을 통해 분석하였다. 무화과. 도 4 및 도 4. 도 5는 25℃의 실험조건에서 알코올 발효액의 중공압 순환 동안 CA와 PS 한외여과막의 평형 흡착능을 각각 나타내었다. pH 값은 3.5입니다. 데이터 다이어그램에서 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. 친수성 및 소수성 막 모두의 평형 오염 흡착 용량은 여과액의 유량에 선형적으로 반비례합니다. 친수성 막의 평형 오염 흡착 비율은 유속 증가에 따라 감소하는 비율이 소수성 막의 경우보다 컸다.

이는 처리액의 유량을 증가시키면 필름 표면의 농도 분극 현상을 감소시켜 필름 표면 오염을 줄이는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 전단 효과에 의한 필름 표면 오염을 줄이는 데에도 도움이 되기 때문이다. 필름 표면의 고속 유체. 동시에 유속의 증가는 처리 용액의 미세 교반 효과를 증가시키고 용질의 용해를 촉진하며 막 오염의 발생을 감소시킵니다.

 

3.3.5 기타 방법

또한, 막 표면의 적절한 전처리 및 처리 역시 막 표면의 오염을 제어하는 ​​효과적인 방법이다. JA Howellet al. 한외여과막에 파파야제를 고정시키는 방식을 이용해 막 표면에 침전된 유청을 분해해 막오염을 크게 줄였다. 또한, Tween80으로 처리한 폴리설폰 한외여과막은 BSA 용액의 한외여과 시 막 표면 오염을 크게 감소시켰는데, 이는 막 표면 오염을 줄이는 좋은 처리 수단이다.

 

04 결론

상하수도 분야에 한외여과막을 적용할 때 가장 큰 문제점은 막오염으로 인한 유속감소이다. 한외여과막의 표면 오염을 일으키는 주요 요인으로는 막 재료의 특성, 막 재료와 처리액 간의 협력, 처리액의 농도 및 유량 등이 있습니다. 막 재료의 특성을 더욱 개선하고 막과 처리액 사이의 다양한 매개변수 매칭을 합리적으로 처리함으로써 이 어려운 문제를 효과적으로 해결할 수 있어 한외여과막을 급배수 분야에서 더욱 널리 사용할 수 있습니다. Hangzhou Jiuling Technology는 또한 현상 유지를 개선하기 위해 향후 막 오염 해결에 대한 더 많은 연구 개발 방법을 개발할 것입니다.