Kao što je poznato, tokom rada membrana nanofiltracije i reverzne osmoze postoji pojava koja se zove "koncentracijska polarizacija", što dovodi do onečišćenja membrane. Budući da ultrafiltracija ne koncentriše otopljene tvari, već samo filtrira, fenomen "polarizacije koncentracije" nije značajan tokom rada ultrafiltracione membrane. Međutim, ultrafiltracija može zadržati koloide, tako da fenomen "polarizacije gel sloja" ima značajan utjecaj na ultrafiltracione membrane. Ovaj članak dijeli principe, formule i inženjerski značaj ultrafiltracione membrane "polarizacija gel sloja" za profesionalce za tretman vode.
I. Koncept polarizacije gel sloja
Tokom ultrafiltracije, kada napojna voda sadrži veliku količinu makromolekularnih otopljenih tvari (kao što su proteini, polisaharidi, koloidne čestice, itd.), ove tvari se akumuliraju na površini membrane, postepeno formirajući koncentrirani sloj. Kako filtracija napreduje, koncentracija otopljene tvari unutar koncentriranog sloja raste, na kraju dostižući zasićenost otopljene tvari u sistemu, formirajući tako sloj gela na površini membrane. Nakon formiranja sloja gela, čak i ako razlika transmembranskog pritiska (TMP) nastavi da raste, fluks permeata se više ne povećava značajno. Ovaj proces se naziva kontrola polarizacije sloja gela. Kako se razlika membranskog pritiska povećava, brzina protoka permeata u početku raste, a zatim se stabilizuje.
II. Matematički model i analiza formula
1. Jednačina prijenosa polarizacije sloja gela
Kada koncentracija otopljene tvari na površini membrane dostigne zasićenje, proces prijenosa mase otopljene tvari blizu površine membrane može se izračunati korištenjem sljedeće formule:
Gdje je: cm koncentracija makromolekula na površini membrane; cp je koncentracija makromolekula u permeatu; cb je prosječna koncentracija makromolekula u napojnoj vodi unutar membranskog elementa; Jw je tok permeata; k je koeficijent prijenosa mase na površini membrane.
Ova formula otkriva obrazac "akumulacije" makromolekula na površini membrane: (1) Povećanje brzine unakrsnog toka i povećanje k može smanjiti debljinu sloja polarizacije gela; (2) Smanjenje radnog fluksa može kontrolisati koncentraciju makromolekula na površini membrane ispod tačke gela.
2. Odnos između graničnog fluksa i maksimalne koncentracije
Kada koncentracija makromolekula cm na površini membrane dostigne tačku gela cg, sistem ulazi u granično stanje fluksa. U ovom trenutku, formula za prijenos mase može se pojednostaviti na sljedeću formulu.
To znači da nakon što uvjeti rada uzrokuju da površinska koncentracija membrane dostigne cg, daljnje povećanje transmembranske razlike tlaka više neće povećavati fluks.
Inženjerski značaj ove formule je: (1) U projektovanju procesa, granični fluks je ključni parametar koji određuje površinu membrane i potrošnju energije; (2) Stabilan rad sistema ultrafiltracije treba da izbjegne dugotrajan-rad u području ograničavajućeg protoka.
3. Površinski pritisak membrane i otpornost sloja gela
Prisustvo sloja gela ne samo da utiče na prenos mase, već i značajno povećava otpornost na filtraciju. Njegov matematički izraz je prikazan ispod.
Gdje je: ki,gel koeficijent otpornosti sloja gela na makromolekularnu supstancu i; Δl je debljina sloja gela; Di,gel je koeficijent difuzije unutar sloja gela.
Ovo ukazuje da kada sloj gela postane deblji (Δl raste) ili se difuzija unutar sloja gela uspori (Di,gel se smanjuje), koeficijent prijenosa mase ki,gel će se značajno smanjiti.
U inženjerskom dizajnu: (1) Povećanje Δl može se kontrolisati povećanjem poprečne sile -smicanja, smanjenjem koncentracije otopine ili povećanjem frekvencije povratnog ispiranja; (2) Smanjenje uticajnog viskoziteta povećava Di,gel; što je temperatura vode viša, to je niži viskozitet. III.
III. Raspodjela površinske koncentracije membrane i značaj dizajna
Makromolekule imaju relativno niske koncentracije dalje od membrane, ali njihove koncentracije brzo rastu blizu membrane, težeći zasićenju unutar sloja gela. Odgovarajući matematički model prikazan je u sljedećoj jednadžbi:
Gdje je: ki koeficijent prijenosa mase tečne membrane; ε je poroznost sloja gela.
Ova formula sveobuhvatno uzima u obzir otpor prijenosa mase tekuće membrane i otpor difuzije sloja gela. Kada je sadržaj polimera u otopini visok ili je sloj gela debeo, otpornost difuzije se značajno povećava, što olakšava prerano dostizanje graničnog stanja fluksa.
Rezime
Polarizacija sloja gela jedno je od najtipičnijih operativnih uskih grla u procesima ultrafiltracije. Kroz analizu u ovom radu, možemo vidjeti da to nije samo problem "zagađivanja", već rezultat kombiniranih efekata prijenosa mase, difuzije i radnih uvjeta. Matematička formula otkriva suštinski odnos između koncentracije, fluksa i otpora prijenosa mase; dizajn procesa i operativna optimizacija mogu kontrolirati polarizaciju sloja gela do određene mjere; za polimerne sisteme, racionalan izbor radnih uslova je ključan za osiguranje efikasnosti ultrafiltracije. U praktičnom inženjerstvu, ako se formule i principi u ovom radu kombinuju sa dinamičkim praćenjem parametara kao što su Jw, k, Di i gel, može se postići stabilan i efikasan rad ultrafiltracionog sistema.
