流动电位法测定中空纤维膜表面的电位

流动电位是重要的膜动电现象之一，ζ电位是膜的动电位。对用于水处理的高分子膜而言，较高的膜表面ζ电位，可以增强膜对同电荷粒子的静电排斥能力，因而有效地防止胶体污染物质对膜的污染[1]，此外还可以利用膜使用前后流动电位的变化来检测膜污染的情况。长期以来，对于膜表面ζ电位的测定有很多困难。当前流动电位法主要用于无机平板膜以及膜孔内ζ电位的测定，对有机膜尤其是中空纤维膜表面ζ电位的测定鲜见报道。本文以聚丙烯中空纤维膜作为研究对象，测定了在不同电解质溶液中膜表面的流动电位，并且根据Helmholtz-Smolue-howski方程式估算了其ζ电位值。电解质溶液流过膜表面时在固液界面上会产生一系列的动电现象。对流过膜的电解质溶液施加一定的压力，膜两端会形成相应的电位差，流动电位就是流过膜表面的净电流为零时的电位差。流动电位可以用来计算ζ电位，根据双电层理论，距膜表面某一距离处有一个水溶液与表面发生相对移动的“滑动面”，该处的电位与液体内部的电位之差被称为ζ电位，其大小反映出膜表面的荷电性能。膜表面ζ电位与流动电位之间的关系用Helmholtz-Smoluehowski方程表示于式（1）：ΔE=εε0ζηλΔP（1）式中，ΔE是流动电位V；ΔP是水头损失值Pa；ζ是膜表面ζ电位V；ε是电解质溶液的相对介电常数F/m；ε0是真空的绝对介电常数F/m，其值为8.854×10-12；η是电解质溶液的粘性系数Pa/s；λ是电解质溶液的电导率S/m。将ε、η、λ、ζ看作常数，由式(1)可得式（2）：ζ=ηλεε0dΔEdΔP=KdΔEdΔP（2）式中，K=ηλεε0μ，μ为各项单位换算系数之积；dΔEdΔP为流动电位随水头损失变化率。由式(2)可知，流动电位随水头损失变化率的大小可反映膜表面ζ电位的大小。依据该原理，用流动电位法试验作出ΔE-ΔP关系图，根据其斜率可求出膜表面的ζ电位。1试验部分1.1试验材料聚丙烯中空纤维膜丝外径为0.45mm，NaCl、KCl、CaCl2均为分析纯。1.2试验仪器数字万用表(VC97，UT70B，胜利仪表厂)；电子天平(FA2004N，上海精密科学仪器有限公司)。1.3试验装置流动电位测定装置和电极如图1所示，整个测定装置包括测样室，U形压差计，Ag/AgCl电极（自制），万用表，循环泵。流动电位法测定中空纤维膜表面的ζ电位陈莉，杨庆，常青，马东华（兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070)摘要:根据流动电位与表面ζ电位的关系,研制了一套中空纤维膜表面ζ电位的测定装置,对NaCl、KCl、CaCl2三种电解质溶液中聚丙烯膜的流动电位进行了研究。结果表明,在中性条件下,膜表面带负电;膜丝间毛细孔径和试验操作方法对ζ电位有影响,毛细孔径越大,ζ电位的绝对值越小,降压法得到的ζ电位值大于快速升压法。ζ电位的大小与电解质溶液的浓度和种类有关,阳离子价态对ζ电位影响很大。关键词:中空纤维膜;流动电位;ζ电位中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1000-3770(2008)03-024-04收稿日期：2007-06-19基金项目：国家自然科学基金资助项目（50578072）；甘肃省科技攻关计划项目（2GS054-A44-016）作者简介：陈莉（1982-），女，硕士研究生，研究方向为水污染控制工程；联系电话：13919072546；E-mail：angrle28@163.com。第34卷第3期2008年3月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.34No.3Mar.,200824测样室采用有机玻璃制成，便于观察膜丝的充填情况，避免膜丝填充不均匀存在气泡而影响测量的准确性。测样室内径为12.67mm。电解质溶液流过膜时，溶液会透过膜孔在中空纤维膜内也产生流动，但本试验所用的膜操作压力为0.015～0.03MPa，试验中最大压差仅为0.006MPa，因此绝大部分溶液是在膜外表面流过。电极材料为纯银片，制成多孔状。极片与测样室轴线垂直。先对极片进行氯化处理，即以电极片作为阳极，铜作为阴极，在0.1mol/LHCl溶液中通以10mA的电流约1h，处理好的电极颜色变为暗灰色，说明在银网上产生了一层均匀的AgCl薄膜，然后将电极片投入10-4mol/L的KCl溶液中浸泡12h。为了确保电极的导电能力，每隔3个星期重复上述的处理过程[2]。这是因为在溶液中尤其是存在污染负荷的情况下，极片表面的AgCl薄膜会逐渐褪掉，这会导致电极产生极化现象而不能准确测量电压。1.4试验方法膜丝装入测样室后，电解质溶液通过循环泵从液槽进入高位水箱，高位水箱出水经过膜丝间毛细孔后流回液槽，高位水箱设有溢流管以保持液面恒定，整个流程构成一个循环，膜两端的电位差由万用电表读得。待流量、电位等稳定后分别记下测压