Eines der Hindernisse beim Einsatz von Membranfiltern ist die Bildung von Sedimenten und Schimmel. Auch wenn es kein Entkommen aus seiner Gesamtheit gibt, können wir seine Entstehung verhindern oder hinauszögern, indem wir die Arten von Verschmutzung und Verstopfung kennen.
Sedimentation im Membranfilter
Zunächst muss man wissen, dass der Membranfilter dazu dient, Partikel, Gegenstände und Gewebe aus der gereinigten Leitung zu entfernen und in die konzentrierte Leitung einzubringen. Hinter den Membranen, wo das Primärmaterial konzentriert ist, bleiben aufgrund der hohen Konzentration einige Partikel an der Membran haften. Dieses Verkleben verhindert den Wasserdurchtritt durch Teile der Membran und verringert den Wirkungsgrad. Diese Ablagerungen werden als Blockierung oder Fouling bezeichnet.
Membranblocker
Im Allgemeinen haben die folgenden Faktoren den größten Einfluss auf Verstopfungen und Verschmutzungen, die wir im Folgenden einzeln beschreiben:
- Organischer oder organischer Bewuchs
- biologisches Sediment, Biofouling
- mineralische Verschmutzung (Ablagerungen)
- Ausfällung kolloidaler Partikel
Anzeichen einer Membranverschmutzung
Gewöhnlich geschieht das Fouling schleichend, aber manchmal kann es vorkommen, dass es zufällig und schnell geschieht. Verschiedene Anzeichen von Verschmutzung haben normalerweise ihre eigenen Anzeichen, obwohl wir im Allgemeinen drei Arten von Anzeichen einer Membranblockade haben:
- Sinkende Qualität und zunehmende Härte des Permeatwassers
- Erhöhung des Druckabfalls des Membranfilters
- Reduzierung der Produktion von gereinigtem Wasser bei konstantem Druck
Reduzierung der Produktion von gereinigtem Wasser bei konstantem Druck
Bei konstantem Druck nimmt aufgrund der Sedimentdichte die durch die Membran strömende Wassermenge zu.
Erhöhung des Druckabfalls des Membranfilters
Das Hauptsymptom einer Verschmutzung kann dieser Druckabfall sein. Sediment füllt den Spalt zwischen den Feed-Abstandshaltern und verhindert, dass Wasser durch die Membran gelangt. Aus diesem Grund sind SPS-Umkehrosmoseanlagen meist mit unterschiedlichen Drucktransmittern vor und nach der Membran ausgestattet.
Erhöhung der Konzentration gelöster Stoffe und Erhöhung des TDS des Permeatwassers
Mit der Ineffizienz der Membran und dem Anstieg des Einlasswasserdrucks, normalerweise in Gegenwart von Sedimenten, werden wir einen Anstieg des TDS und des EC des Permeatwassers feststellen.
Chemische Bindung von Sedimentmaterialien auf Membranfilteroberflächen
Eine grundlegende Frage bei der Verschmutzung von Membranfiltern ist die Quelle der Verschmutzungsanhaftung an der Membranfilteroberfläche. Die Hauptkräfte, die zur Bindung beitragen, sind die Dispersionswechselwirkungskraft und die polare Wechselwirkungskraft. Diese Kräfte werden auf materielle Wesen in unterschiedlichen Maßstäben ausgeübt.
Dass Sedimentmaterialien auf Membranfilteroberflächen zusammenkleben, ist höchstwahrscheinlich auf das Vorhandensein physikalisch-chemischer Wechselwirkungen zurückzuführen, beispielsweise auf Dispersionswechselwirkungen zwischen Wasserorganismen. Diese Dispersionswechselwirkung beruht auf der Van-der-Waals-Anziehung zwischen Molekülen im Wasser und wird durch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Partikeln und der Oberfläche des Membranfilters aufgrund vorhandener Oberflächenladungen ausgeglichen. Wie in der Abbildung der Energiekurve (2) dargestellt, hängt die Höhe der Energiebarriere nicht nur von der Stärke der anziehenden Wechselwirkung, sondern auch von der Stärke der abstoßenden elektrostatischen Wechselwirkung ab. Daher wird es üblicherweise als vorteilhaft angesehen, die Ladungsdichte ähnlich geladener Gegenionen zu erhöhen, um die Bindung zu verringern.
Zur Darstellung der Dispersionswechselwirkung kann die Konstante verwendet werden. Dies ist eine Materialeigenschaft, die die Stärke der Van-der-Waals-Wechselwirkungskräfte zwischen makroskopischen Objekten durch ein drittes Medium zeigt, was in Abbildung (3) dargestellt ist. Typische konstante Werte liegen im Bereich von 10 -19 – 10 -21 J. Sie kann mithilfe der Lifshitz-Theorie der makroskopischen Van-der-Waals-Wechselwirkungskräfte abgeschätzt werden, die die atomare Struktur der interagierenden Moleküle ignoriert und die Kräfte zwischen ihnen anhand der Dielektrizitätskonstante (ε) und des Brechungsindex (n) berechnet [31, Hamaker]. Die Konstante A für zwei makroskopische Phasen 1 und 2, die in einem Medium 3 interagieren, beträgt ungefähr:
wobei „1“ und „2“ zwei wechselwirkende Körper im Medium „3“ darstellen, A die Hammaker-Konstante ist, ve die durchschnittliche Absorptionsfrequenz ist (für H2O , ve = 3 x 10 15 s -1 ), ε die Dielektrizitätskonstante ist, Dies gibt die Konzentration eines elektrischen Flussmaterials an, n ist der Brechungsindex, K ist die Boltzmann-Konstante, h ist die Planck-Konstante und T ist die absolute Temperatur.
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Mathematische Modelle für die Membranfilterabscheidung
Basierend auf dem Verständnis der verschiedenen Rollen von Wasserkomponenten bei der Verschmutzung von Membranfiltern wurden verschiedene mathematische Modelle zur Beschreibung der Verschmutzung von Membranfiltern entwickelt. Das am weitesten verbreitete empirische Modell ist das Kuchenfiltrationsmodell, das sich auf die Rolle von Partikeln konzentriert, die größer als die Porengröße des Membranfilters sind. In diesem Modell ist der hydrodynamische Widerstand der Kuchenschicht [Rc, m -1 ] wie folgt definiert:
[m/kg] ist der spezifische Widerstand der Kuchenschicht auf der Oberfläche des Membranfilters und md [kg/m2 ] ist die Sedimentmasse pro Flächeneinheit des Membranfilters. Der entsprechende Infiltrationsfluss (J, m 3 / m 2 .s) wird unter Verwendung des Darcy-Gesetzes und des Serienwiderstandsmodells (RIS) wie folgt ausgedrückt:
Dabei ist Δp ( Pa) der Druck des Membranfilters, μ (Pa-s) die Viskosität der Lösung und Rm (1/m) der hydrodynamische Widerstand des sauberen Membranfilters. Für die Kommunikation wurden zusätzliche Arbeiten durchgeführt
zur Struktur der durch Partikel oder Aggregate gebildeten Kuchenschicht [19, 20]. Zur Anpassung der Filtrationsdaten wurde das Kuchenfiltrationsmodell verwendet und es wurden vernünftige Ergebnisse erzielt [21]. Dieses Modell erklärt jedoch nicht die Fouling-Mechanismen, sondern zeigt nur die Proportionalität zwischen der Zunahme des hydrodynamischen Widerstands und der Fouling-Masse auf dem Membranfilter unter Bedingungen, bei denen die Filtration fortgesetzt wird. Werte
Sie variiert zwischen 10 10 und 10 16 m/kg für verschiedene wässrige Materialien [22]. Babul et al. [23] fanden das heraus
Bei einer Chlorella veränderte sich die Algenkultur von 10 11 auf 10 12 m/kg, was das Wachstum hemmte. Foley [24] untersuchte verschiedene Faktoren, die die Durchlässigkeit der Kuchenschicht beeinflussen, die bei der Dead-End-Mikrofiltration mikrobieller Suspensionen gebildet wird. Das wurde festgestellt
Dies hängt von der Zellmorphologie, den Oberflächeneigenschaften, dem Betriebsdruck und der Zeit ab. Das Serienwiderstandsmodell wurde häufig zur Analyse des Phänomens der Membranfilterverschmutzung verwendet. Obwohl es einfach anzuwenden ist, ist bei der Verwendung dieses Modells Vorsicht geboten, da es den Porenblockierungsmechanismus nicht berücksichtigt.
Kuzvintsev et al. [25] entwickelten ein weiteres Modell, um die physikalische Siebung eines Niederdruckmembranfilters durch Partikel zu beschreiben, die größer als die Porengröße des Membranfilters sind. Ihrer Analyse zufolge beginnt die Verschmutzung des Membranfilters durch Filterkuchen nicht unmittelbar nach Beginn der Filtration, und die Verschmutzung wird eher durch die Verstopfung der Poren dominiert, bis die Oberfläche des Membranfilters von Partikeln bedeckt ist. Dieses Modell beschreibt das Infiltrationsvolumen als Funktion der Infiltrationszeit, die durch Porenblockierung bei konstantem Druck wie folgt definiert wird:
Wobei V das Permeatvolumen (cm 3 ) ist, ist β 𝛽 das Verhältnis der mit Partikeln verunreinigten Fläche des Membranfilters zur Fläche sauberer Poren. Diese Konstante sollte aus experimentellen Messungen für einen bestimmten Membranfilter ermittelt werden und etwas größer als eins sein. n ist die Anzahl der Partikel pro Einheit Feedvolumen, γ ist das Verhältnis der Porenfläche zur Gesamtoberfläche des Membranfilters und t* ist die dimensionslose Filtrationszeit. Weitere Details des Modells werden in der jüngsten Arbeit der Autoren vorgestellt [26]. Dieses Modell war auf porenblockierende Sedimente beschränkt und die Auswirkung der Kuchenschicht auf das Infiltrationsvolumen wurde nicht berücksichtigt.
Zidni et al. kombinierten zwei Verschmutzungsmechanismen, Porenblockierung und Kuchenbildung, um die Verschmutzung von Niederdruckmembranfiltern durch Proteine und Huminsäuren zu beschreiben [27, 28]. Auch dieses Modell basiert auf der Annahme, dass die Sedimentation hauptsächlich durch große Partikel, Proteinaggregate und Huminsäuren verursacht wird. Die mathematische Entwicklung basiert auf der Funktion von konstantem Druck und variablem Fluss und kann wie folgt geschrieben werden:
wobei J und J 0 (m 3 / s) der Permeatfluss zu einem bestimmten Zeitpunkt und der anfängliche Fluss durch den Membranfilter ohne Verschmutzung sind, Kb ( m 2 / kg), ein Parameter der Porenverstopfung, gleich der Fläche von ist des verstopften Membranfilters pro Masseneinheit der auf den Membranfilter übertragenen Aggregate. Dieser Parameter kann experimentell gemessen werden. Cb ( kg/m3 ) ist die Massenkonzentration großer Aggregate, Rm ( 1/m) ist der Widerstand der sauberen Membran, Rc ist der Widerstand der Kuchenschicht (1/m), μ ist die Viskosität der Lösung und ΔP ist die Membran. Druck (Pa). Beide Widerstände können experimentell gemessen werden. Auf der rechten Seite der Gleichung gibt es zwei Begriffe, die sich auf Porenverstopfung bzw. Kuchenbildung beziehen. Der erste Begriff (Porenblockierung) dominiert die frühen Sedimentationsstadien und der zweite Begriff (Kuchenfiltration) dominiert die Sedimentation in längeren Phasen. Der Einfluss der Lösungschemie auf die Membranfilterverschmutzung wird jedoch nicht in das Modell einbezogen, sondern als Voraussetzung für die Anreicherung von Proteinen oder Huminsäuren angesehen.
Im Vergleich zu den oben genannten Modellen ist die Absorptionssedimentation des Membranfilters durch Partikel, die kleiner als die Größe der Membranfilterporen sind, im folgenden Modell enthalten. Der Einfluss der Absorptionsschicht auf die Permeabilität des Membranfilters kann mithilfe der modifizierten Form des Hagen-Poiseulle-Kapillarfiltrationsmodells [29] wie folgt abgeschätzt werden:
wobei J und J 0 (m 3 / m 2 .s) der infiltrierte Fluss nach der Bildung der absorbierenden Sedimentschicht bzw. der anfängliche Fluss unter einem bestimmten Membrandruck sind, δ ‚ 𝛿‘ (m) die Dicke von die absorbierende Schicht, die experimentell gemessen werden kann, und r p (m) ist der Radius der Poren des Membranfilters. Die Hauptschwierigkeit bei der Verwendung des Sorptionssedimentmodells zur Filterung natürlicher Oberflächengewässer liegt in der komplexen Natur aquatischer NOM. Mit anderen Worten: Der Wert von δ ‚ 𝛿‘ ist weder theoretisch noch experimentell leicht zu ermitteln. Dieses Problem wird durch die Heterogenität der Membranfilteroberflächeneigenschaften erschwert.