范云雙 ,宋曉緒 ,曹占平 ,孫道寶 ,胡曉宇
(1.天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,天津 300387;2.天津工業(yè)大學(xué)省部共建分離膜與膜過程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/分離膜科學(xué)與技術(shù)國家級(jí)國際合作研究中心,天津 300387;3.天津膜天膜科技股份有限公司,天津 300457;4.膜材料與膜應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300457)
膜表面的荷電性對(duì)其分離和抗污染等性能起著非常重要的作用,該性質(zhì)可以用Zeta電位來定量化表征.納濾膜具有荷電效應(yīng),對(duì)二價(jià)和高價(jià)的離子截留率較高,適用于無機(jī)物和有機(jī)物的分離等特點(diǎn),隨著納濾膜在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對(duì)于納濾膜的制備、性能表征、分離機(jī)理的研究,尤其是膜表面荷電性的研究[1-3]越來越全面深入.目前對(duì)平板納濾膜[4-14]的荷電性研究比較多,研究的內(nèi)容主要集中在電解質(zhì)種類、濃度、pH及離子價(jià)態(tài)等.蘇保衛(wèi)等[15]研究了平板測量池的流道高度、溶液電導(dǎo)、膜電導(dǎo)、外回路電導(dǎo)對(duì)Zeta電位的影響,實(shí)驗(yàn)中用游標(biāo)卡尺測量流道高度,存在的誤差較大,得到結(jié)果的可靠性較差.Childress等[16]和Coday等[17]對(duì)醋酸纖維素平板膜進(jìn)行研究,研究離子種類和離子強(qiáng)度對(duì)膜表面Zeta電位的影響.
然而,目前對(duì)于醋酸纖維素中空纖維納濾膜表面Zeta電位測試尚沒有文獻(xiàn)報(bào)道.如果將這種膜樣品澆鑄成膜組件進(jìn)行測試,由于澆鑄的膜絲長度、數(shù)量不易控制,制作過程繁瑣而且制成膜組件后測試流量很難控制,嚴(yán)重影響測試結(jié)果的重復(fù)性.故采用有機(jī)玻璃制成的圓柱體樣品池,將外徑為0.25 mm樣品像纖維一樣緊密填充到樣品池中進(jìn)行Zeta電位測試,通過調(diào)節(jié)樣品填充的緊實(shí)程度來調(diào)節(jié)不同的測試流量.
本文以平板聚酰胺納濾膜和醋酸纖維素中空纖維納濾膜為研究對(duì)象,利用奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的SurPASS固體表面Zeta電位分析儀對(duì)納濾膜表面Zeta電位測試方法研究.測試過程中以1 mmol/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,以可調(diào)間隙樣品池,研究聚酰胺平板納濾膜在超純水中的浸泡時(shí)間、測試壓力、測試流量對(duì)膜表面Zeta電位的影響;以圓柱體樣品池,研究測試流量對(duì)醋酸纖維素中空纖維納濾膜表面Zeta電位的影響,并分析兩種方法的可靠性.
在固液膜分離過程中,膜材料上官能基團(tuán)的離解或者某些特性吸附引起膜表面荷電化的現(xiàn)象,可導(dǎo)致固液界面處呈現(xiàn)出與主體溶液內(nèi)完全不同的電荷分布狀況,即雙電層結(jié)構(gòu)[18-19].Zeta電位指的是雙電層中滑動(dòng)面上的電位.
目前計(jì)算膜表面的Zeta電位的公式為Helmholtz—Smoluchowski(簡稱H—S),即:
式中:dU為流道兩端的流動(dòng)電位差(mV);dP為流道兩端的壓力差(Pa);k為電解液的電導(dǎo)率(mS/m);η為電解液的黏度(Pa·s);ε = εr× ε0為絕對(duì)介電常數(shù)(F/m);ε0為真空的絕對(duì)介電常數(shù)(8.85×10-12F/m);εr為相對(duì)介電常數(shù).
根據(jù)歐姆定律和電導(dǎo)率和阻力的關(guān)系,可以將上式轉(zhuǎn)化成公式(2):
式中:dI為流道兩端的流動(dòng)電流;dP為流道兩端的壓力;η為電解質(zhì)溶液的黏度;ε0為真空的絕對(duì)介電常數(shù);ε為電解質(zhì)溶液的介電常數(shù);L為流道長度;A為流道面積.
其中A=W×H,而式中的H是根據(jù)流量和壓力來計(jì)算出來的.
式中:V為體積流量;dP為流道兩端的壓力;W為流道的寬度;H為流道的高度.
針對(duì)不同樣品,雖然采用的原理一樣,但采用的公式不同.對(duì)于規(guī)則的樣品(即可以裁剪成長寬已知的矩形),采用公式(2)計(jì)算最終結(jié)果;不規(guī)則的樣品(即樣品為纖維、顆粒和直徑小于0.3 mm的中空纖維膜),采用公式(1)計(jì)算最終結(jié)果.
在平板膜測試中Zeta電位計(jì)算采用的原理公式為(2).當(dāng)流道高度一定時(shí),測試流量與測試壓力直接相關(guān).由于流道高度無法直接測量,因此根據(jù)測試壓力和測試流量可以采用公式(3)計(jì)算流道高度的大小.
由于納濾膜孔徑約為1 nm左右,當(dāng)電解質(zhì)溶液的濃度為1 mmol/L時(shí),雙電層厚度約為10 nm[18].流道高度的大小應(yīng)保證電解質(zhì)溶液在流道內(nèi)為層流狀態(tài),即雷諾數(shù)應(yīng)小于2 000.雷諾數(shù)用公式(4)表示:
式中:d為矩形流道當(dāng)量直徑,d=2W×H/(W+H);W為樣品池的寬;L為樣品池的長;H為流道高度;μb為主體溶液流速;ρ為溶液密度;η為電解液的黏度.
根據(jù)N—S方程,可以得到在很窄的矩形流道中層流流動(dòng)平均流速ub的表達(dá)式用公式(5)[19]表示:
由公式(4)、(5)可得到雷諾數(shù)與流道高度、壓力之間的關(guān)系式:
在公式(6)中,由于H與W相比,可以忽略不計(jì).公式(6)可以簡化為公式(7).
由式(7)可知,雷諾數(shù)與壓力和流道高度有關(guān).當(dāng)壓差為3 kPa時(shí),Re<2 000,可以計(jì)算出流道的最高高度不超過149 μm,此時(shí)電解質(zhì)溶液的流量應(yīng)不超過276 mL/min.
實(shí)驗(yàn)材料:聚酰胺平板納濾膜,貴陽時(shí)代沃頓科技有限公司產(chǎn)品;醋酸纖維素中空纖維納濾膜,外壓膜,內(nèi)徑為0.1 mm,外徑為0.25 mm,天津膜天膜科技股份有限公司產(chǎn)品.
實(shí)驗(yàn)試劑:超純水或去離子水,符合GB/T 6682中三級(jí)水的要求,市售;氯化鉀,為優(yōu)級(jí)純,天津市蘭力科化學(xué)電子高科技有限公司產(chǎn)品;鹽酸、氫氧化鈉、緩沖鹽,均為分析純,百靈威科技有限公司產(chǎn)品.
主要儀器:SurPASS固體表面Zeta電位分析儀,奧地利安東帕有限公司產(chǎn)品.
在平板納濾膜表面Zeta電位測試實(shí)驗(yàn)中,使用的樣品池長(L)為2 cm,寬(W)為1 cm,測試中可以旋轉(zhuǎn)旋鈕調(diào)節(jié)樣品間的空隙,即流道高度(H),樣品池示意如圖1所示.
圖1 可調(diào)間隙樣品池Fig.1 Adjustable gap sample cell
在中空纖維納濾膜面Zeta電位測試實(shí)驗(yàn)中,樣品裝填于有機(jī)玻璃圓柱體內(nèi),樣品兩端用墊片固定.使用的有機(jī)玻璃圓柱體樣品池,直徑為1.5 cm,長度為6 cm,如圖2所示.
圖2 圓柱體樣品池Fig.2 Cylindrical sample pool
配制濃度為1 mmol/L的氯化鉀溶液,將測量樣品放入超純水中浸泡,期間換水.根據(jù)測量樣品選擇適當(dāng)?shù)臉悠烦?,安裝樣品池,并將其兩端與電極相連.在測量前,將溶液循環(huán)通過通道足夠長的時(shí)間來保持樣品的平衡.通過調(diào)節(jié)螺旋旋鈕(圖1中的波輪)和活塞泵的壓力,將流道高度、測試流量及測試中的壓力控制到所需的數(shù)值.測試過程中用0.05 mol/L的HCl和NaOH溶液改變電解質(zhì)溶液的pH值.實(shí)驗(yàn)過程中,采用的電解質(zhì)溶液為1 mmol/L的氯化鉀,其絕對(duì)介電常數(shù)ε=6.933×10-10 F/m[20].
在Zeta電位測試過程中,電解質(zhì)溶液在外界壓力下流經(jīng)膜表面,膜表面殘留的添加劑等雜質(zhì)會(huì)直接影響測量結(jié)果,所以在測試前需要用超純水浸泡來清洗膜表面的添加劑或雜質(zhì).浸泡時(shí)間對(duì)清洗程度和膜表面Zeta電位測試的影響如表1所示.
表1 膜在超純水中浸泡時(shí)間對(duì)膜表面Zeta電位的影響Tab.1 Effect of soaking time of utrafine water on Zeta potential of membrane
由表1可知,由于時(shí)間浸泡過短,膜表面的雜質(zhì)、電荷等并不能完全清洗干凈,導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,但在浸泡2 h以后,dI/dP在-0.162左右波動(dòng),膜表面Zeta電位趨于穩(wěn)定,說明膜表面得到充分的清理.故而在測試前膜樣品應(yīng)在超純水中至少浸泡2 h.本實(shí)驗(yàn)采用的膜樣品在測試過程中不會(huì)發(fā)生溶脹,測試前用1 mmol/L的電解質(zhì)溶液潤洗3次;對(duì)于在電解質(zhì)溶液中發(fā)生溶脹的膜樣品,建議在1 mmol/L的電解質(zhì)溶液中浸泡1 h以上.
由公式(1)可知,壓力是一個(gè)重要的影響因素,實(shí)驗(yàn)中采用1 mmol/L的氯化鉀為電解質(zhì)溶液,測試流量為80 mL/min,測試不同壓力條件下納濾膜表面Zeta電位變化情況,結(jié)果如圖3所示.
由圖3可以看出,當(dāng)壓力在1~3 kPa范圍內(nèi)時(shí),測試壓力的增大對(duì)膜表面Zeta電位的影響不大;當(dāng)壓力為4 kPa時(shí),電解質(zhì)溶液在流道內(nèi)流速很快,剪切面受到的剪切應(yīng)力增大,剪切面處的反離子不易被吸附,導(dǎo)致膜兩端的電位差減小,膜表面Zeta電位的絕對(duì)值也減小.在1~3 kPa壓力范圍內(nèi),當(dāng)測試電解質(zhì)溶液沒有滲透到膜表面另一側(cè)時(shí),壓力對(duì)膜表面Zeta電位測試基本沒有影響;而壓力大于等于4 kPa時(shí),由于儀器使用最高壓力的限制,測試結(jié)果會(huì)有一定的偏差.
圖3 膜表面Zeta電位隨壓力的變化Fig.3 Changes of Zeta potential of membrane surface with pressure
為了進(jìn)一步得到最佳流量范圍,在壓力為3 kPa時(shí),測試不同流量(Q)下Zeta電位隨pH值變化的趨勢,結(jié)果如圖4所示.
圖4 膜表面Zeta電位隨測試流量的變化Fig.4 Changes of Zeta potential of membrane surface with test flow rate
由圖4可知,當(dāng)測試流量在60~200 mL/min范圍內(nèi)時(shí),隨著測試流量的增加,膜表面Zeta電位絕對(duì)值逐漸減小,這是由于電解質(zhì)溶液在流道內(nèi)流速增加,剪切面受到的剪切應(yīng)力增大,剪切面處的反離子不易被吸附,導(dǎo)致膜兩端的電位差減小,膜表面Zeta電位的絕對(duì)值也減小;而在測試流量在80~120 mL/min范圍內(nèi)時(shí),膜表面Zeta電位變化曲線基本重合,因此測試流量最佳范圍為80~120 mL/min,根據(jù)公式(3)計(jì)算的最佳流道高度大約為100~110 μm.
在同一天內(nèi),以1 mmol/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,測試壓力為3 kPa,測試流量為100 mL/min左右的測試條件下,對(duì)同一樣品的Zeta隨pH的變化情況進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.
圖5 實(shí)驗(yàn)室間重復(fù)性分析圖Fig.5 Inter-laboratory reproducibility analysis
由圖5可以看出,3組數(shù)據(jù)相差相對(duì)不大,經(jīng)計(jì)算每個(gè)測試pH值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于2 mV.這些數(shù)據(jù)充分說明測試結(jié)果的重復(fù)性良好,從而說明了測試前膜樣品在超純水中浸泡2 h,測試中采用1 mmol/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,測試壓力為3 kPa、測試流量為80 mL/min的測試方法的可靠性.
由聚酰胺納濾平板膜測試結(jié)果可得到:在測試前測量膜樣品應(yīng)在超純水中浸泡2 h以上,以1 mmol/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,測試壓力選擇300 mbar為測試條件;醋酸纖維素中空纖維納濾膜表面Zeta電位測試只討論測試流量的影響.
在1 mmol/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,測試壓力為3 kPa下,測試不同流量下的Zeta電位隨pH值變化的趨勢.每個(gè)樣品取3個(gè)試樣,每個(gè)試樣在pH值為2~10范圍內(nèi)每個(gè)pH值下重復(fù)測試4次.通過對(duì)12組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差分析測試結(jié)果的可靠性.標(biāo)準(zhǔn)偏差越小說明數(shù)據(jù)的偏離程度越小,數(shù)據(jù)也越可靠.具體數(shù)據(jù)如表2所示.
由表2可知,測試流量在60~200 mL/min范圍內(nèi)Zeta隨pH值變化的趨勢基本一致.當(dāng)流量為60 mL/min時(shí),所有pH值下測得的Zeta電位值的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)變化范圍為0.68~2.97 mV;當(dāng)流量為80 mL/min時(shí),所有pH下測得的Zeta電位值的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)變化范圍為0.08~0.57 mV,并且當(dāng)pH值為9.00時(shí)Zeta電位值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08 mV;當(dāng)流量為120 mL/min時(shí),所有pH值下測得的Zeta電位值的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)變化范圍為0.36~0.96 mV;當(dāng)流量為200 mL/min時(shí),所有pH值下測得的Zeta電位值的標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)據(jù)變化范圍為0.41~3.07 mV;由以上分析,可以對(duì)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行排序:
表2 不同流量不同pH值下所得Zeta電位數(shù)據(jù)Tab.2 Zeta potential data obtained at different pH values at different flow rates
80 mL/min>120 mL/min>60 mL/min>200 mL/min
通過以上不同pH值的Zeta電位測試結(jié)果的變化趨勢和標(biāo)準(zhǔn)偏差,可以確定測試流量的范圍為60~200 mL/min,最佳測試流量范圍為80~120 mL/min.
在同一天內(nèi),在1 mmoL/L的KCl溶液為電解質(zhì)溶液,測試溫度為25℃,測試壓力為300 mbar,測試流量為80 mL/min左右的測試條件下,對(duì)同一樣品的Zeta電位隨pH值的變化情況進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.
圖6 實(shí)驗(yàn)室間重復(fù)性分析圖Fig.6 Inter-laboratory reproducibility analysis
由圖6可以看出,當(dāng)pH值為10.00、2.40左右時(shí),3組數(shù)據(jù)相差相對(duì)較大,此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.3 mV;當(dāng)pH值為3.00左右時(shí),接近等電點(diǎn),測得的Zeta電位值接近于0,此時(shí)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.09 mV;其他pH值時(shí),數(shù)據(jù)比較集中,此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.3 mV.圖6充分說明此方法的重復(fù)性良好.
本實(shí)驗(yàn)采用流動(dòng)電位法原理,利用SurPASS固體表面Zeta電位分析對(duì)平板聚酰胺納濾膜和醋酸纖維素中空纖維納濾膜表面Zeta電位測試方法進(jìn)行研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:納濾膜樣品測試前需要在超純水中浸泡2 h以上;平板納濾膜最佳的測試壓力為3 kPa;平板膜可調(diào)間隙的樣品池流道高度最佳為100~110 μm,最佳測試流量在80~120 mL/min.醋酸纖維素中空纖維納濾膜Zeta電位測試時(shí),采用有機(jī)玻璃制成的圓柱型樣品池,將外徑為0.25 mm膜絲像纖維或顆粒一樣填充到樣品池中,在測試壓力3 kPa條件下,通過調(diào)節(jié)樣品填充的緊實(shí)程度調(diào)節(jié)測試流量在80~120 mL/min,測試結(jié)果重復(fù)性良好.
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