Himnuaðskilnaðartækni, með kostum mikillar skilvirkni, orkusparnaðar og auðveldrar notkunar, er mikið notuð í vatnsmeðferð, matvælavinnslu, líflæknisfræði og efnaiðnaði. Hins vegar, meðan á langtíma-aðgerð stendur, er himnuafgangur áfram lykilatriði sem takmarkar frammistöðu þess og líftíma. Sérstaklega fyrir gljúpar himnur eins og ofsíun, nanósíun og öfuga himnuflæði, leiðir óhreinindi ekki aðeins til minnkaðs flæðis og aukinnar orkunotkunar heldur getur það einnig valdið óafturkræfum skemmdum á frumum himnunnar. Svo, hvaða þættir hafa áhrif á himnubrot? Frá efniseiginleikum til notkunarskilyrða, þessi grein fer kerfisbundið yfir sex helstu þættir sem hafa áhrif á himnufótröð og, ásamt klassískum fræðilegum formúlum, leiðbeinir þér að skilja rótarorsakir gróðursetningar frá vélrænu sjónarhorni.
I. Kornastærð eða uppleyst efni og formgerð
Þegar agnir eða kvoða nálgast yfirborð himnunnar verða þær fyrir ýmsum kröftum, þar á meðal van der Waals kraftum, rafstöðueiginleikum og vökvaskurðkraftum. Ef kornastærðin er lítil eða kúlulaga er líklegra að þær myndi þétt pakkað lag á himnuyfirborðinu, sem veldur stíflu og óafturkræfum gróðursetningu. Aftur á móti verða trefja- eða dendritic agnir fyrir meiri áhrifum af truflunum á flæðisviði, sem leiðir til tiltölulega veikara aðsogs.
Sérstaklega þegar agnir eru hlaðnar, hefur jónastyrkur, hleðsludreifing og möguleiki himnuyfirborðs í lausninni veruleg áhrif á tilhneigingu til gróðursetningar. Til dæmis eru jákvætt hlaðin kvoða líklegri til að aðsogast á neikvætt hlaðna himnufleti og mynda þannig „hlutlaust aðsogslag“. Ennfremur eru samanlögð kvoða eða fjölliður óstöðug í vökva og geta einnig safnast saman og sett sig undir skurðkrafta, sem flýtir fyrir gróðursetningu himnunnar.
II. Uppleyst-himnuvíxlverkun
Samspilskraftar milli uppleystu efnisins og himnuefnisins eru einn mikilvægasti þátturinn sem hefur áhrif á gróðursetningu himnunnar. Byggt á vélbúnaðinum er hægt að flokka þetta í rafstöðukrafta, van der Waals krafta, vetnistengingu og steríska hindrun.
1. Rafstöðukraftar
Ef yfirborð himnuefnisins ber hlaðna hópa (eins og karboxýl- eða amínhópa) mun rafstöðueiginleikar aðsogs eiga sér stað þegar uppleysta efnið í lausninni ber gagnstæða hleðslu, sem stuðlar að myndun óhreinindalags. Aftur á móti, ef himnan og uppleyst efni bera sömu hleðslu, hjálpar rafstöðueiginleikar fráhrindingu til að draga úr gróðursetningu.
2. Van der Waals sveitir
Þetta er alhliða millisameindaaðdráttarafl sem einkennist af Hamaker fastanum. Van der Waals kraftana milli uppleystu efnisins og himnunnar er hægt að reikna út með eftirfarandi formúlu:
Þar sem H11, H22 og H33 eru Hamaker fastar himnuefnisins, uppleysts og lausnar, í sömu röð.
Því minna sem H213 gildið er, því veikara er aðdráttaraflið milli himnunnar og uppleystu efnisins, og því minni er tilhneigingin til óhreininda. Þetta þýðir að við val á himnuefnum ætti að forðast að mynda sterka sameindaaðdrátt með uppleystu efninu. Til dæmis, við vatnsmeðferð, eru himnuefni með sterka vatnssækni og litla yfirborðsorku almennt ónæmari fyrir gróðursetningu.
3. Vetnistengi Vetnistengi eru tegund efnatengja með mikilli-orku, sérstaklega mikilvæg fyrir skautað uppleyst efni. Þegar lífræn efnasambönd sem innihalda virka hópa eins og hýdroxýl- og karboxýlhópa komast í snertingu við yfirborð himnunnar geta þau myndað vetnis-tengt lag, sem leiðir til alvarlegrar gróðursetningar. Náttúrulegar lífrænar sameindir (NOMs) eða lífsameindir eru sérstaklega viðkvæmar fyrir því að mynda „lífrænt óhreinindi“ á yfirborði himnunnar með vetnisbindingu.
4. Sterísk hindrun Fyrir fjölliður eða lífsameindir með langar sameindakeðjur eru hreyfingar innan himnuhola eða á yfirborði staðbundnar takmarkaðar. Þegar sterk sterísk hindrun er í kerfinu er erfitt að nálgast mengunarefni yfirborð himnunnar og draga þannig úr mengun að einhverju leyti.
III. Uppbygging og eiginleikar himnu
Byggingareiginleikar himnunnar ákvarða beinlínis afköst hennar. Í smásjá hafa þættir eins og dreifing svitaholastærðar, ójöfnur yfirborðs, hleðslueiginleikar og vatnssækni öll áhrif á mengun.
1. Svitaholastærð og uppbygging svitahola
Ofursíun eða nanósíun himnur með minni svitaholastærð eru líklegri til að draga úr flæði vegna agnastíflu. Ef dreifing svitaholastærðar er ójöfn eða húðgallar eru til staðar, verður mengun alvarlegri. Þetta útskýrir hvers vegna ofsíunarhimna tiltekins bandarísks fyrirtækis, sem upphaflega hafði holastærð 0,02 míkrómetrar að nafni, hafði litla einsleitni í holastærð; á undanförnum árum hafa þeir sett á markað XP röð ofursíunarhimnur með einsleitari svitaholastærðum.
2. Yfirborðsgrófleiki
Gróft himnuyfirborð hefur fleiri örholur og gróp, myndar auðveldlega staðbundin stöðnuð svæði, sem veldur uppsöfnun mengunarefna.
3. Vatnssækni
Vatnssæknar himnur hafa venjulega minni yfirborðsorku og þynnra aðsogslag, sem gerir vatnssameindum kleift að mynda auðveldlega „vökvafilmu“ á yfirborð himnunnar og hindra þannig útfellingu lífrænna efna. Vatnssækni fer aðallega eftir snertihorni himnunnar. Þetta gildi er venjulega gefið upp í himnuhandbókum fyrir innfluttar vörur sem lesendur geta vísað í þegar þeir kaupa himnur. Hins vegar er það sjaldgæfara í handbókum fyrir innanlandsframleiddar himnur.
4. Hleðslueiginleikar
Neikvætt hlaðið himnuyfirborð hrinda frá sér neikvætt hlaðnum kvoða eða ögnum, sem dregur úr gróðursetningu. Hins vegar, þegar lausnin inniheldur katjónir, getur hlutleysing hleðslu átt sér stað, sem leiðir til aukins aðsogs. Þetta er ein ástæða þess að himnufóst er hröð í skólpvatni með mikilli-seltu.
IV. Áhrif lausnareiginleika Efnafræðilegir eiginleikar lausnarinnar hafa mikil áhrif á himnuflóð. Þetta felur aðallega í sér: (1) pH breytir hleðsluástandi leysta efnisins og himnuyfirborðs og hefur þannig áhrif á rafstöðueiginleikar; (2) Hár jónastyrkur getur þjappað saman tvöfalda lagið, veikt rafstöðueiginleika fráhrindingu og auðveldara að frásogast mengunarefni, svo sem í vatni með -seltu; (3) Hækkandi hitastig dregur úr seigju lausnarinnar, eykur flæði til skamms tíma, en flýtir einnig fyrir samspili lífræns efnis og himnunnar, sem getur hugsanlega versnað óhreinindi til lengri tíma litið; (4) Flókið samlífa kerfi lífrænna efna, kvoða og málmjóna í lausninni getur leitt til flókinnar gróðursetningar.
V. Eðliseiginleikar himna
Eðliseiginleikar himna fela í sér grófleika yfirborðs, dreifingu svitaholastærðar, porosity og yfirborðshleðslu. Slétt himnuyfirborð er minna viðkvæmt fyrir gróðursetningu; jöfn dreifing svitaholastærðar leiðir til stöðugs gegndrættisflæðis og hægari foullagsmyndunar. Ennfremur, ef yfirborð himnuefnisins er neikvætt hlaðið, getur það myndað stöðuga rafstöðueiginleika í vatninu, sem kemur í veg fyrir að neikvætt hlaðin uppleyst efni nálgist; þegar hleðslan er hlutlaus að hluta eða yfirborð himnunnar inniheldur vatnsfælin svæði er líklegra að hún gleypi lífræn efni.
Þess vegna er fínstilling á himnubyggingu frá sjónarhóli efnafræði mikilvæg stefna til að bæla niður gróður. Til dæmis, að nota vatnssæknar pólýamíð samsettar himnur eða setja inn skautaða hópa eins og hýdroxýl og karboxýlhópa á yfirborð himnunnar getur aukið gróðureyðandi eiginleika verulega.
VI. Rekstrarfæribreytur
Rekstrarfæribreytur himnukerfis gegna afgerandi hlutverki við myndun gróðurs. Lykilbreytur eru meðal annars þrýstimunur yfir himnu (TMP), flæðihraði yfir himnu (CFV) og flæði (J).
1. Flux og Critical Flux
Þegar flæðið fer yfir ákveðin mörk eykst hraðinn verulega. Field o.fl. setti fyrst fram hugtakið „kritískt flæði“ árið 1995 til að lýsa mikilvægu atriðinu við að grípa til skaða.
Þegar rekstrarflæðið er undir mikilvægu flæðiinu Jc, myndast ekki óafturkræf gróðurlag á yfirborð himnunnar; þegar flæðið fer yfir Jc setjast mengunarefni hratt út og viðnám eykst með tímanum.
Við langtíma notkun ætti kerfinu að vera stöðugt innan marka sem er undir mikilvægu flæðinu með því að stjórna flæðihraða fóðurvatns og þrýstingsmismun yfir himnu.
2. Skúfkraftur og vökvaeiginleikar
Meiri klippukraftar hjálpa til við að fjarlægja óhreinindi af yfirborði himnunnar, en of mikill skurðkraftur getur skemmt himnuna eða aukið orkunotkun. Þess vegna skiptir sköpum að velja viðeigandi flæðishraða og síunaraðferðir (eins og kross-flæðissíun).
3. Hitastig og rekstrarþrýstingur
Aukið hitastig dregur úr seigju vökva og eykur gegndræpi, en það eykur einnig aðsog uppleystra efna. Of hár vinnuþrýstingur getur þjappað gróðurlagið saman og myndað þéttari stíflubyggingu.
Samantekt
Himnuafgangur er flókið ferli sem felur í sér marga tengda þætti, undir áhrifum bæði efniseiginleika og rekstrarskilyrða. Frá vélrænu sjónarhorni ákvarða kornastærð, yfirborðshleðsla, sameindavíxlverkunarkraftar, eiginleika himnuefnis og vökvavirkni aðstæður sameiginlega myndun og þróun gróðursetningar. Framtíðarleiðbeiningar fyrir eftirlit með gróðursetningu í himnu munu einbeita sér meira að: breytingar á yfirborði og hagnýtri hönnun á himnuefnum, kraftmikilli rekstrarstýringu og mikilvægri flæðisstjórnun, lausnarstjórnun og hagræðingu á yfirborði orku. Aðeins með því að byrja á smásæjum samskiptum og skilja kerfisbundið gróðursetninguna getum við náð mikilli skilvirkni og sjálfbærni í himnuaðskilnaðarferlum í verkfræði.