圖案化膜在不同污染類型下的抗污染性能,及研究方向進(jìn)行了展望
【上海水處理設(shè)備網(wǎng)shwebi.cn】引 言
污水再生技術(shù)中,膜分離技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景,受到廣泛關(guān)注。然而,膜污染問題始終制約著膜分離技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
膜污染會(huì)導(dǎo)致膜的性能急劇下降,大大縮短膜的使用壽命。根據(jù)已有研究,目前有許多方法可以抑制膜表面污染的加重。其中,膜改性就是一種有效的戰(zhàn)略。
以往關(guān)于膜改性的研究主要集中在化學(xué)改性上,但是化學(xué)改性方法仍受到臨時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性和可推廣性的限制。
近年來,膜外表圖案化作為一種較為新穎的物理改性方法,得到研究者們較多的關(guān)注。研究者們對圖案化膜的研究主要集中在1說明圖案化膜抗污染性能的機(jī)理;上海實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備2優(yōu)化圖案化膜的制備技術(shù),以進(jìn)一步提升圖案化膜的抗污染性能。
本文對圖案化膜在水處理領(lǐng)域的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理,論述了圖案化膜對膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善,總結(jié)了圖案化膜在不同污染類型下的抗污染性能,并對未來的研究方向進(jìn)行了展望。
文章導(dǎo)讀
圖案化膜可以在毫米、微米甚至納米尺度上形成較為規(guī)則的外表微觀形貌。一些圖案化膜的罕見圖案如圖1所示,如棱柱和金字塔圖案(圖1A 水滴、風(fēng)箏、圓和四角星等圖案(圖1B增加間隔的圖案(圖1C
此外,一些來自大自然的仿生圖案為研究者們提供了靈感,如鯊魚皮仿生圖案(圖1D由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和抑制生物污染的遜色性能,獲得了研究者們關(guān)注。事實(shí)上,這些圖案不只可以在平面膜上應(yīng)用,也可以在中空纖維膜上制造。
最近,Lyu等人通過3D打印在圖案化陶瓷膜領(lǐng)域取得了突破,進(jìn)一步拓寬了圖案化膜的應(yīng)用。隨著微觀制造技術(shù)的發(fā)展,更加精細(xì)、更加復(fù)雜的圖案有望在膜表面得到應(yīng)用。
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展!
圖1圖案化膜外表罕見圖案:A棱柱和金字塔形(Wonetal.,2012;B水滴、風(fēng)箏、圓和四角星形 Ngeneetal.,2010;C包括間隔的圖案(Zhouetal.,2021;D鯊魚皮仿生圖案(Choietal.,2018
圖案化膜傳統(tǒng)的制備方法主要依靠基于模板的微成型技術(shù),包括溶液澆鑄技術(shù)、相分離微成型技術(shù)和納米壓印光刻技術(shù)等。
為了克服保守制備技術(shù)精確度缺乏的缺點(diǎn),3D打印技術(shù)、噴墨打印技術(shù)和隔網(wǎng)壓印技術(shù)相繼誕生,可以制造出更為復(fù)雜的圖案構(gòu)型,并提高圖案的精確度。
近年來,研究者們嘗試了更多新穎的圖案化膜制備方法(圖2但在產(chǎn)量、資料和性能穩(wěn)定性方面有待進(jìn)一步優(yōu)化。
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展!
圖2局部新型圖案化膜制備技術(shù)示意圖:A改良后的非溶劑誘導(dǎo)相分離法(Ilyaetal.,2022;B水凝膠促進(jìn)相分離法(Asadetal.,2021;C電液動(dòng)力圖案化打印法(Heetal.,2020;D圖案化與化學(xué)改性相結(jié)合(Choietal.2016
圖案化膜主要從三個(gè)方面改善了膜表面的水力學(xué)性質(zhì):剪切力的整體分布、堆積方向上速度場的不均勻性以及流動(dòng)方向上的局部湍流上海實(shí)驗(yàn)室純水設(shè)備(圖3
首先,無論是堆積方向還是流動(dòng)方向,圖案的存在都會(huì)導(dǎo)致膜外表剪切力發(fā)生特征性的分布(圖3A 局部剪切力在圖案的頂部區(qū)域較高,而在圖案的底部區(qū)域較低。這是由于圖案凸起局部的存在會(huì)降低進(jìn)水通道的高度,增加圖案頂端的局部速度和剪切力,使圖案化膜頂部區(qū)域的局部剪切力比平板膜高出5倍以上(Leeetal.,2013
除了剪切力分布以外,外表圖案的存在使得堆積方向上主體流和圖案區(qū)域的速度場分布不均勻,主體流和圖案頂部區(qū)域的速度較高,而圖案底部區(qū)域則出現(xiàn)了明顯的渦旋,同時(shí)形成了向下的滲透流線,導(dǎo)致流動(dòng)分離現(xiàn)象(主體流和圖案底部區(qū)域之間發(fā)生的不同流動(dòng)行為)呈現(xiàn)(圖3B
渦旋的形成可以阻礙污染物在圖案底部區(qū)域的堆積,但也有概率將污染物捕捉到停滯死區(qū),使其更難被主體流帶走,這取決于渦旋流面積與滲透流面積的比例。此外,外表圖案還影響流動(dòng)方向的局部湍流。
Choi等人的模擬結(jié)果(圖3C顯示,圖案化膜使一次流(a-d和二次流(e-h得到增強(qiáng),尤其是與線型和斷線型圖案相比,鯊魚紋圖案產(chǎn)生了更密集而強(qiáng)烈的一次流和二次流,很好地解釋了鯊魚皮仿生圖案遜色的抗污染性能。
圖3基于CFD模擬的圖案對膜外表水力學(xué)性質(zhì)的影響:A圖案化膜剪切力云圖(以棱柱型圖案化膜為例)Leeetal.,2013;B堆積方向上速度場及流線(以棱柱型圖案化膜為例)Wonetal.,2016;C流動(dòng)方向上的速度場以及不同圖案的一次流(a-d和二次流(e-h分布(Choietal.,2018
許多文獻(xiàn)通過顆粒堆積實(shí)驗(yàn)評價(jià)圖案化膜的性能。上海純水設(shè)備大多數(shù)研究標(biāo)明圖案化膜具有更好的抗顆粒堆積能力,相比于平板膜而言具有更高的臨界通量、更低的濾餅層阻力以及更低的外表覆蓋率。
圖案化膜對顆粒的抗堆積特性主要可以從兩個(gè)方面來闡釋:膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善和膜外表與顆粒之間的相互作用的改變。
目前,圖案化導(dǎo)致的外表粗糙度的增加是否能增強(qiáng)抗污染性能仍存在爭議。一些研究者認(rèn)為,外表粗糙度的增加會(huì)加強(qiáng)圖案和顆粒之間的相互作用,進(jìn)而加速膜污染;而另一些人則認(rèn)為外表粗糙度的增加會(huì)改善膜外表水力學(xué)特性,進(jìn)而降低膜污染速率。
最近,Shang等人證明了有序的外表圖案相比于不規(guī)則的外表圖案更有利于減輕膜污染,因?yàn)橐氲挠行虼植诙饶軌虺渑嫫茐牧黧w動(dòng)力學(xué)邊境層,抑制顆粒物的堆積。
除了顆粒堆積,多數(shù)研究標(biāo)明,相比于平板膜,圖案化膜在抗有機(jī)污染(圖4無機(jī)污染(圖5生物污染(圖6方面均表示出更優(yōu)異的性能。
以最難抑制的生物污染為例,圖案化膜除了通過發(fā)生高剪切力、高流速和局部強(qiáng)化湍流使微生物在初始階段難以附著在膜表面外,還限制了微生物與膜表面的接觸面積,通過發(fā)明能量壁壘降低微生物堆積的可能性。
復(fù)合污染的研究中,圖案化膜也能顯著延緩膜通量的下降,延遲跨膜壓差的增加,減少微生物附著以及延長膜組件的壽命,證明了圖案化膜在實(shí)際應(yīng)用方面具有很大的潛力。
盡管如此,大部分研究仍局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī);蚨讨芷谠囼(yàn)。一方面,目前大多數(shù)圖案化膜的制備方法和設(shè)備只適用于實(shí)驗(yàn)室研究,還難以規(guī)模化生產(chǎn)。另一方面,圖案化膜的抗(生物)污染性能還沒有在長周期試驗(yàn)中得到很好的驗(yàn)證。
未來,上海純水設(shè)備可以進(jìn)一步推動(dòng)圖案化膜的規(guī);苽浜蛻(yīng)用,通過臨時(shí)中試運(yùn)行驗(yàn)證其抗污染性能的穩(wěn)定性。
圖4A和(C分別為過濾前平板膜和圖案化膜的SEM圖像,B和(D分別為污染后的平板膜和圖案化膜的SEM圖像;E污染后的平板膜(實(shí)線)和圖案化膜(虛線)解吸BSA UV-vi吸附曲線(Marufetal.,2013a
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展!
圖5A1g/LCaSO4水溶液(pH=7.4TMP=2.75MPaT=25±0.5℃)中,非圖案化和圖案化TFC膜在攪拌狀態(tài)下的通量與時(shí)間的關(guān)系。CaSO4過濾24小時(shí)后,非圖案化(B和圖案化(CTFC膜表面的SEM圖像(Marufetal.,2014b
圖案化膜在膜污染和應(yīng)用領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展!上海純水設(shè)備
圖6A從膜生物反應(yīng)器中取出的混合液錯(cuò)流微濾2小時(shí)和4小時(shí)后,平板膜和圖案化膜的CLSM圖像;B連續(xù)浸沒式MBR中的平板膜和圖案化膜的TMP曲線(Wonetal.,2012
總結(jié)與展望
本文對水處置領(lǐng)域圖案化膜的研究進(jìn)行了全面的綜述,主要結(jié)論如下:
1圖案化膜的外表形貌對其性能具有重要影響,而仿生圖案由于具有良好的抗污染性能獲得了越來越多的關(guān)注。除了保守的制備方法,一些新型的制備方式能夠與化學(xué)改性方法相結(jié)合,進(jìn)一步提高制備過程的分辨率和可推廣性,提升圖案化膜的性能。
2圖案的存在能夠從三個(gè)方面改善膜表面的水力學(xué)性質(zhì):剪切力的整體分布、堆積方向速度流場的不均勻性、流動(dòng)方向的局部湍流。外表圖案的特征(如形狀、尺寸、間隔和粗糙度等)對于上述的水力學(xué)性質(zhì)具有重要影響,進(jìn)而會(huì)影響顆粒物的堆積行為。
3圖案化膜在一定水平上可以減輕有機(jī)污染、無機(jī)污染、生物污染及復(fù)合污染,其對抗污染性能的提升主要來源于膜外表水力學(xué)性質(zhì)的改善以及膜外表圖案與污染物之間的相互作用。
4未來的研究可以著眼于實(shí)際的應(yīng)用場景,對圖案化膜進(jìn)行定制化的開發(fā)和規(guī);纳a(chǎn),驗(yàn)證圖案化膜在臨時(shí)中試條件下對實(shí)際污水處置的抗污染性能。
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