Kot je dobro znano, med delovanjem membran za nanofiltracijo in reverzno osmozo obstaja pojav, imenovan "koncentracijska polarizacija", ki vodi do umazanije membrane. Ker ultrafiltracija ne koncentrira raztopljenih snovi, ampak le filtrira, pojav "koncentracijske polarizacije" med delovanjem ultrafiltracijske membrane ni pomemben. Vendar lahko ultrafiltracija zadrži koloide, zato ima pojav "polarizacije gelske plasti" pomemben vpliv na ultrafiltracijske membrane. Ta članek deli načela, formule in inženirski pomen "polarizacije gelske plasti" ultrafiltracijske membrane za strokovnjake za čiščenje vode.
I. Koncept polarizacije plasti gela
Med ultrafiltracijo, ko napajalna voda vsebuje veliko količino makromolekularnih raztopljenih snovi (kot so proteini, polisaharidi, koloidni delci itd.), Se te snovi kopičijo na površini membrane in postopoma tvorijo koncentrirano plast. Z napredovanjem filtracije se koncentracija topljenca v koncentriranem sloju povečuje, sčasoma doseže nasičeno topnost topljenca v sistemu, s čimer se na površini membrane tvori plast gela. Ko se plast gela oblikuje, tudi če transmembranska razlika tlaka (TMP) še naprej narašča, se permeatni tok ne poveča več bistveno. Ta proces se imenuje nadzor polarizacije plasti gela. Ko se razlika v tlaku membrane poveča, se stopnja pretoka permeata sprva poveča in nato stabilizira.
II. Analiza matematičnih modelov in formul
1. Enačba prenosa polarizacije plasti gela
Ko koncentracija topljenca na površini membrane doseže nasičenost, lahko proces prenosa mase topljenca v bližini površine membrane izračunamo z naslednjo formulo:
Kjer je: cm koncentracija makromolekul na površini membrane; cp koncentracija makromolekul v permeatu; cb povprečna koncentracija makromolekul v napajalni vodi znotraj membranskega elementa; Jw je tok permeata; k je koeficient prenosa mase na površini membrane.
Ta formula razkriva vzorec "kopičenja" makromolekul na površini membrane: (1) Povečanje hitrosti prečnega toka in povečanje k lahko zmanjša debelino polarizacijske plasti gela; (2) Zmanjšanje delovnega toka lahko nadzoruje koncentracijo makromolekul na površini membrane pod točko gela.
2. Razmerje med mejnim tokom in največjo koncentracijo
Ko koncentracija makromolekul cm na površini membrane doseže točko gela cg, sistem preide v stanje mejnega pretoka. Trenutno lahko formulo za prenos mase poenostavimo na naslednjo formulo.
To pomeni, da ko pogoji delovanja povzročijo, da površinska koncentracija membrane doseže cg, nadaljnje povečanje transmembranske razlike tlaka ne bo več povečalo pretoka.
Inženirski pomen te formule je: (1) Pri načrtovanju procesa je mejni tok ključni parameter, ki določa površino membrane in porabo energije; (2) Stabilno delovanje ultrafiltracijskega sistema se mora izogibati dolgotrajnemu -delovanju v območju omejevalnega toka.
3. Površinski tlak membrane in odpornost plasti gela
Prisotnost plasti gela ne vpliva samo na prenos mase, ampak tudi znatno poveča odpornost proti filtraciji. Njegov matematični izraz je prikazan spodaj.
Kjer je: ki,gel koeficient odpornosti plasti gela proti makromolekularni snovi i; Δl je debelina plasti gela; Di,gel je koeficient difuzije znotraj plasti gela.
To pomeni, da ko postane plast gela debelejša (Δl se poveča) ali ko se difuzija znotraj plasti gela upočasni (Di,gel se zmanjša), se bo koeficient prenosa mase ki,gel znatno zmanjšal.
Pri inženirskem načrtovanju: (1) Povečanje Δl je mogoče nadzorovati s povečanjem strižne sile prečnega-toka, zmanjšanjem koncentracije raztopine ali povečanjem frekvence povratnega izpiranja; (2) Zmanjšanje vtočne viskoznosti poveča Di,gel; višja kot je temperatura vode, manjša je viskoznost. III.
III. Porazdelitev koncentracije na površini membrane in njen pomen
Makromolekule imajo razmeroma nizke koncentracije dlje od membrane, vendar se njihove koncentracije hitro povečajo v bližini membrane in se nagibajo k nasičenju znotraj plasti gela. Ustrezni matematični model je prikazan v naslednji enačbi:
Kjer je: ki koeficient prenosa mase tekoče membrane; ε je poroznost plasti gela.
Ta formula celovito upošteva odpornost tekoče membrane na prenos mase in difuzijsko odpornost plasti gela. Ko je vsebnost polimera v raztopini visoka ali je plast gela debela, se difuzijski upor znatno poveča, zaradi česar je lažje prezgodaj doseči mejno stanje pretoka.
Povzetek
Polarizacija plasti gela je eno najbolj tipičnih operativnih ozkih grl v postopkih ultrafiltracije. Z analizo v tem prispevku lahko vidimo, da ne gre samo za problem "umazanije", temveč za rezultat skupnih učinkov prenosa mase, difuzije in delovnih pogojev. Matematična formula razkriva intrinzično razmerje med koncentracijo, tokom in odpornostjo na prenos mase; načrtovanje procesa in optimizacija delovanja lahko do določene mere nadzorujeta polarizacijo plasti gela; pri polimernih sistemih je racionalna izbira pogojev delovanja ključna za zagotavljanje učinkovitosti ultrafiltracije. V praktičnem inženiringu je mogoče doseči stabilno in učinkovito delovanje ultrafiltracijskega sistema, če so formule in načela v tem dokumentu združeni z dinamičnim spremljanjem parametrov, kot so Jw, k, Di in gel.