Som kjent eksisterer et fenomen kalt "konsentrasjonspolarisering" under drift av nanofiltrering og omvendt osmosemembraner, noe som fører til membranbegroing. Siden ultrafiltrering ikke konsentrerer oppløste stoffer, kun filtrering, er "konsentrasjonspolarisering"-fenomenet ikke signifikant under ultrafiltreringsmembrandrift. Imidlertid kan ultrafiltrering beholde kolloider, så fenomenet "gellagpolarisering" har en betydelig innvirkning på ultrafiltreringsmembraner. Denne artikkelen deler prinsippene, formlene og den tekniske betydningen av ultrafiltreringsmembran "gellagpolarisering" for fagfolk innen vannbehandling.
I. Konsept for gellagspolarisering
Under ultrafiltrering, når tilførselsvannet inneholder en stor mengde makromolekylære oppløste stoffer (som proteiner, polysakkarider, kolloidale partikler, etc.), akkumuleres disse stoffene på membranoverflaten, og danner gradvis et konsentrert lag. Ettersom filtreringen skrider frem, øker konsentrasjonen av oppløst stoff i det konsentrerte laget, og når til slutt metningsløseligheten til det oppløste stoffet i systemet, og danner dermed et gellag på membranoverflaten. Etter at gellaget er dannet, selv om den transmembrane trykkforskjellen (TMP) fortsetter å øke, øker ikke lenger permeatfluksen vesentlig. Denne prosessen kalles gellagspolarisasjonskontroll. Når membrantrykkforskjellen øker, stiger permeatstrømningshastigheten til å begynne med og stabiliseres deretter.
II. Matematisk modell og formelanalyse
1. Overføringsligning for polarisering av gellag
Når konsentrasjonen av løst stoff på membranoverflaten når metning, kan masseoverføringsprosessen til løst stoff nær membranoverflaten beregnes ved å bruke følgende formel:
Hvor: cm er konsentrasjonen av makromolekyler på membranoverflaten; cp er konsentrasjonen av makromolekyler i permeatet; cb er den gjennomsnittlige konsentrasjonen av makromolekyler i fødevannet i membranelementet; Jw er permeatfluksen; k er masseoverføringskoeffisienten på membranoverflaten.
Denne formelen avslører mønsteret av makromolekyl-"akkumulering" på membranoverflaten: (1) Økning av tverrstrømningshastigheten og økning av k kan redusere tykkelsen på gelpolarisasjonslaget; (2) Redusering av driftsfluksen kan kontrollere konsentrasjonen av makromolekyler på membranoverflaten under gelpunktet.
2. Forholdet mellom begrensende fluks og maksimal konsentrasjon
Når konsentrasjonen av makromolekyler cm på membranoverflaten når gelpunktet cg, går systemet inn i den begrensende flukstilstanden. På dette tidspunktet kan masseoverføringsformelen forenkles til følgende formel.
Dette betyr at når driftsforholdene får membranoverflatekonsentrasjonen til å nå cg, vil ytterligere økning av transmembrantrykkforskjellen ikke lenger øke fluksen.
Den tekniske betydningen av denne formelen er: (1) I prosessdesign er den begrensende fluksen en nøkkelparameter som bestemmer membranarealet og energiforbruket; (2) Stabil drift av ultrafiltreringssystemet bør unngå lang-drift i det begrensende fluksområdet.
3. Membranoverflatetrykk og gellagsmotstand
Tilstedeværelsen av gellaget påvirker ikke bare masseoverføringen, men øker også filtreringsmotstanden betydelig. Dens matematiske uttrykk er vist nedenfor.
Hvor: ki,gel er motstandskoeffisienten til gellaget overfor makromolekylær substans i; Δl er tykkelsen av gellaget; Di,gel er diffusjonskoeffisienten i gellaget.
Dette indikerer at når gellaget blir tykkere (Δl øker) eller diffusjonen i gellaget avtar (Di,gel reduseres), vil masseoverføringskoeffisienten ki,gel reduseres betydelig.
I ingeniørdesign: (1) Økningen av Δl kan kontrolleres ved å øke tverr-skjærkraften, redusere løsningskonsentrasjonen eller øke tilbakespylingsfrekvensen; (2) Redusering av den innflytende viskositeten øker Di,gel; jo høyere vanntemperatur, jo lavere viskositet. III.
III. Fordeling av membranoverflatekonsentrasjon og designbetydning
Makromolekyler har relativt lave konsentrasjoner lenger unna membranen, men deres konsentrasjoner øker raskt nær membranen, og tenderer mot metning i gellaget. Den tilsvarende matematiske modellen er vist i følgende ligning:
Hvor: ki er væskemembranens masseoverføringskoeffisient; ε er gellagets porøsitet.
Denne formelen tar omfattende hensyn til væskemembranens masseoverføringsmotstand og gellagets diffusjonsmotstand. Når polymerinnholdet i løsningen er høyt eller gellaget er tykt, øker diffusjonsmotstanden betydelig, noe som gjør det lettere å nå den begrensende flukstilstanden for tidlig.
Sammendrag
Gellagpolarisering er en av de mest typiske operasjonelle flaskehalsene i ultrafiltreringsprosesser. Gjennom analysen i denne artikkelen kan vi se at det ikke bare er et "begroing"-problem, men snarere et resultat av de kombinerte effektene av masseoverføring, diffusjon og driftsforhold. Den matematiske formelen avslører det iboende forholdet mellom konsentrasjon, fluks og masseoverføringsmotstand; prosessdesign og operasjonsoptimalisering kan kontrollere gellagets polarisering til en viss grad; for polymersystemer er det rasjonelle valget av driftsforhold nøkkelen til å sikre ultrafiltreringseffektivitet. I praktisk prosjektering, hvis formlene og prinsippene i denne artikkelen kombineres med dynamisk overvåking av parametere som Jw, k, Di og gel, kan en stabil og effektiv drift av ultrafiltreringssystemet oppnås.