Kao što je dobro poznato, tijekom rada membrana za nanofiltraciju i reverznu osmozu postoji fenomen nazvan "koncentracijska polarizacija", što dovodi do zaprljanja membrane. Budući da ultrafiltracija ne koncentrira otopljene tvari, već samo filtrira, fenomen "koncentracijske polarizacije" nije značajan tijekom rada ultrafiltracijske membrane. Međutim, ultrafiltracija može zadržati koloide, tako da fenomen "polarizacije sloja gela" ima značajan utjecaj na ultrafiltracijske membrane. Ovaj članak dijeli principe, formule i inženjerski značaj ultrafiltracijske membrane "polarizacije sloja gela" za stručnjake za obradu vode.
I. Koncept polarizacije sloja gela
Tijekom ultrafiltracije, kada napojna voda sadrži veliku količinu makromolekularnih otopljenih tvari (kao što su proteini, polisaharidi, koloidne čestice itd.), te se tvari nakupljaju na površini membrane, postupno stvarajući koncentrirani sloj. Kako filtracija napreduje, koncentracija otopljene tvari unutar koncentriranog sloja raste, na kraju dostižući topljivost zasićenja otopljene tvari u sustavu, stvarajući tako sloj gela na površini membrane. Nakon formiranja sloja gela, čak i ako se transmembranska razlika tlaka (TMP) nastavi povećavati, protok permeata se više ne povećava značajno. Taj se proces naziva kontrola polarizacije sloja gela. Kako se razlika tlaka membrane povećava, brzina protoka permeata u početku raste, a zatim se stabilizira.
II. Matematički model i analiza formula
1. Jednadžba prijenosa polarizacije sloja gela
Kada koncentracija otopljene tvari na površini membrane dosegne zasićenje, proces prijenosa mase otopljene tvari u blizini površine membrane može se izračunati pomoću sljedeće formule:
Gdje je: cm koncentracija makromolekula na površini membrane; cp je koncentracija makromolekula u permeatu; cb prosječna koncentracija makromolekula u napojnoj vodi unutar membranskog elementa; Jw je protok permeata; k je koeficijent prijenosa mase na površini membrane.
Ova formula otkriva obrazac "akumulacije" makromolekula na površini membrane: (1) Povećanje brzine poprečnog protoka i povećanje k može smanjiti debljinu polarizacijskog sloja gela; (2) Smanjenje radnog toka može kontrolirati koncentraciju makromolekula na površini membrane ispod točke geliranja.
2. Odnos između graničnog toka i maksimalne koncentracije
Kada koncentracija makromolekula cm na površini membrane dosegne točku gela cg, sustav ulazi u stanje graničnog protoka. U ovom trenutku formula za prijenos mase može se pojednostaviti na sljedeću formulu.
To znači da kada radni uvjeti uzrokuju da koncentracija na površini membrane dosegne cg, daljnje povećanje transmembranske razlike tlaka više neće povećati tok.
Inženjerski značaj ove formule je: (1) U projektiranju procesa, granični tok je ključni parametar koji određuje površinu membrane i potrošnju energije; (2) Stabilan rad ultrafiltracijskog sustava treba izbjegavati dugotrajan-rad u području ograničavajućeg protoka.
3. Površinski pritisak membrane i otpor sloja gela
Prisutnost sloja gela ne samo da utječe na prijenos mase, već i značajno povećava otpornost filtracije. Njegov matematički izraz prikazan je u nastavku.
Gdje je: ki,gel koeficijent otpornosti sloja gela prema makromolekulskoj tvari i; Δl je debljina sloja gela; Di,gel je koeficijent difuzije unutar sloja gela.
To znači da kada sloj gela postane deblji (Δl raste) ili se difuzija unutar sloja gela uspori (Di,gel se smanjuje), koeficijent prijenosa mase ki,gel značajno će se smanjiti.
U inženjerskom dizajnu: (1) Povećanje Δl može se kontrolirati povećanjem posmične sile poprečnog-toka, smanjenjem koncentracije otopine ili povećanjem učestalosti povratnog ispiranja; (2) Smanjenje ulazne viskoznosti povećava Di,gel; što je viša temperatura vode, niža je viskoznost. III.
III. Raspodjela koncentracije na površini membrane i značaj dizajna
Makromolekule imaju relativno niske koncentracije dalje od membrane, ali njihove koncentracije brzo rastu u blizini membrane, težeći zasićenju unutar sloja gela. Odgovarajući matematički model prikazan je u sljedećoj jednadžbi:
Gdje je: ki koeficijent prijenosa mase tekuće membrane; ε je poroznost sloja gela.
Ova formula sveobuhvatno razmatra otpor prijenosa mase tekuće membrane i otpor difuzije sloja gela. Kada je sadržaj polimera u otopini visok ili je sloj gela debeo, otpor difuzije se značajno povećava, što olakšava prerano postizanje graničnog stanja fluksa.
Sažetak
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 "zaprljanja", već rezultat kombiniranih učinaka prijenosa mase, difuzije i radnih uvjeta. Matematička formula otkriva unutarnji odnos između koncentracije, toka i otpora prijenosu mase; dizajn procesa i operativna optimizacija mogu do određene mjere kontrolirati polarizaciju sloja gela; za polimerne sustave, racionalan odabir radnih uvjeta ključan je za osiguranje učinkovitosti ultrafiltracije. U praktičnom inženjerstvu, ako se formule i principi u ovom radu kombiniraju s dinamičkim praćenjem parametara kao što su Jw, k, Di i gel, može se postići stabilan i učinkovit rad ultrafiltracijskog sustava.