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Zeta電位監(jiān)測(cè)膜污染

安東帕 2021-03-12 | 閱讀：1660

聚合物膜用于純化和分離工藝的應(yīng)用越來越受歡迎,，呈現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì),。除了在水凈化方面的經(jīng)典應(yīng)用外，聚合物膜在食品,、生物技術(shù)和制藥等領(lǐng)域用于產(chǎn)品分離和純化上受到越來越多的關(guān)注,。盡管有著這些個(gè)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)聚合物膜的使用最佳化上仍然存在很多限制,。從進(jìn)料中溶解或分散的物質(zhì)在膜表面的沉積,，這被稱為膜污染，這是一個(gè)經(jīng)常無法解決的挑戰(zhàn),，特別是對(duì)于聚合物膜和壓力驅(qū)動(dòng)的過濾過程（諸如納濾和反滲透）,。

Zeta電位表示膜-水界面處的電荷密度,，說明了膜（固體表面）和水中所溶解的化合物之間的靜電相互作用。這種相互作用往往是吸引或排斥離子,、大分子和懸浮粒子的主導(dǎo)力量,，因此，對(duì)膜污染起著決定性的作用,。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置

膜表面的 zeta 電位是通過測(cè)量流動(dòng)電勢(shì)來確定的,。這種所謂的電動(dòng)效應(yīng)來自于液體的流動(dòng)，在大多數(shù)情況下是水溶液,，通過一個(gè)毛細(xì)管,。流動(dòng)電勢(shì)是一個(gè)直流電壓，它跟壓力梯度的依賴性是線性的,，壓力梯度是液體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力,。

成功的zeta 電位分析的一個(gè)先決條件是膜樣品的合適的組裝，從而形成一個(gè)高度為100 μm的毛細(xì)流動(dòng)通道,。圖1所示的是有著矩形截面的流動(dòng)通道,，它分隔了兩片平板膜樣品。

圖1 可調(diào)間隙樣品槽中安裝了平板膜的示意圖,。

膜樣品的 zeta 電位可以通過可調(diào)間隙樣品槽用安東帕SurPASS 3儀器測(cè)得,。測(cè)量溶液的流動(dòng)由施加于流動(dòng)通道兩端的壓力梯度Δp驅(qū)動(dòng)，并產(chǎn)生流動(dòng)電勢(shì)Ustr,。然后使用dUstr/dΔp比率來計(jì)算zeta電位,。

SurPASS 3

中空纖維膜以類似的方式粘貼在載樣模塊上以測(cè)量膜外表面的zeta電位。

圖2 數(shù)根切短的中空纖維膜排布在可調(diào)間隙樣品槽的載樣模塊上以進(jìn)行外表面分析

城市污水

圖3 顯示了安大略湖水(多倫多,加拿大;0.5 μm 前置過濾)流動(dòng)24 h后對(duì)復(fù)合聚酰胺組分的納濾膜（NF270, 陶氏化學(xué)）表面的zeta電位的影響 ,。

zeta電位是在較寬的pH范圍內(nèi)測(cè)定的,，以明確區(qū)分原始膜和使用過的膜，從而更好地研究膜表面沉積層的性質(zhì),。Zeta電位與pH的依賴關(guān)系,，可顯示出等電位點(diǎn)(IEP)，就是發(fā)生電荷符號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)試水溶液的pH值以及膜水界面處的凈電荷密度減小,。

圖3 用于納濾的復(fù)合聚合物膜在安大略湖水中進(jìn)行24h錯(cuò)流過濾前后表面的電位與pH的關(guān)系

發(fā)酵液

圖4顯示了發(fā)酵對(duì)中空纖維超濾膜（U. maydis)外表面（聚醚砜）污染的影響,，超濾膜孔徑0.05 μm，外徑2.6 mm,，內(nèi)徑1.2 mm (Puron, Koch Membrane Systems),。

圖4 對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行超濾前后的中空纖維膜外表面的流動(dòng)電勢(shì)耦合系數(shù)與pH 的關(guān)系圖

被污染的膜的dUstr/dΔp出現(xiàn)顯著的變化，這說明界面負(fù)電荷的減少,，而IEP在pH 2.5時(shí)幾乎不受影響,。發(fā)酵液中的組分在膜表面的沉積使得中空纖維薄膜外表面具有更強(qiáng)的親水性。

原位分析

流動(dòng)電位法還可以直接用來研究溶解組分在膜表面的沉積過程（原位）,。為了進(jìn)行這一研究,，測(cè)試溶液可以用稀釋的給水來代替,，也可以直接用過濾后的給水來代替，以除去其中的懸浮物,。

圖5顯示了腐殖酸（HA）對(duì)另一種用于納濾的復(fù)合物薄膜（NF90, Dow Chemical）表面zeta電位的影響,。結(jié)果表明腐殖酸在膜表面發(fā)生了吸附，這導(dǎo)致IEP朝向更酸性的pH值轉(zhuǎn)變,。

圖5 用于納濾的復(fù)合物薄膜在植酸 (12.5 ppm) 和Ca2+ (2.5 mmol/l) 離子存在情況下表面的zeta電位與 pH 的關(guān)系圖

防污涂層

為了防止膜表面污染,，特別是聚合物膜表面污染，其中一種補(bǔ)救措施就是在膜表面組裝官能團(tuán)或者水凝膠層,，使得膜表面具有親水性能。

圖 6所示的是使用聚乙二醇衍生物對(duì)用于反滲透的復(fù)合物薄膜（AG, GE Water）進(jìn)行涂層處理的效果,。 Zeta電位的這種差異可以用PEGDA的溶脹傾向和單獨(dú)的薄膜的厚度顯著增加來解釋,。溶脹過程使得固-液界面向本體水溶液方向移動(dòng)，降低了zeta電位的大小,。腐殖酸和鈣離子(來自添加的CaCl2) 的結(jié)合產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng),。The divalent Ca 二價(jià)的鈣離子起著介于帶負(fù)電荷的膜表面和陰離子型腐殖酸分子之間的橋梁作用。

圖6 具有聚乙二醇衍生物（PEGDA）涂層的復(fù)合反滲透RO薄膜表面的zeta電位與pH 的關(guān)系圖

膜清洗

在任何情況下,，都有必要應(yīng)用適當(dāng)?shù)那逑捶桨竵碇匦陆⒆畛跛褂玫脑寄さ倪^濾性能,。特別是在大型的過濾裝置中，減少清洗循環(huán)的頻率是可取的,。

Zeta 電位可用于評(píng)估清洗循環(huán)的效率,。圖7顯示了纖維蛋白原（FGN）在不同的微濾膜（MF）上的吸附效果（原位），以及隨后用去離子水來進(jìn)行循環(huán)清洗這一步驟的效果,。根據(jù)這些結(jié)果,，纖維蛋白原同時(shí)吸附在由親水性聚偏氟乙烯PVDF制備的MF膜（MF-1）上和由醋酸纖維素制備的MF膜(MF-2)上。用去離子水沖洗后,，可將纖維蛋白原FGN完全從膜MF-1中去除,，而膜MF-2中僅部分纖維蛋白原FGN可被去除。