Както е известно, по време на работата на мембраните за нанофилтрация и обратна осмоза съществува феномен, наречен "концентрационна поляризация", което води до замърсяване на мембраната. Тъй като ултрафилтрацията не концентрира разтворените вещества, а само филтрира, явлението "концентрационна поляризация" не е значимо по време на работа на ултрафилтрационната мембрана. Ултрафилтрацията обаче може да задържи колоиди, така че феноменът на "поляризацията на геловия слой" има значително въздействие върху ултрафилтрационните мембрани. Тази статия споделя принципите, формулите и инженерното значение на ултрафилтрационната мембрана "поляризация на гел слой" за професионалистите по пречистване на вода.
I. Концепция за поляризация на гелния слой
По време на ултрафилтрация, когато захранващата вода съдържа голямо количество макромолекулни разтворени вещества (като протеини, полизахариди, колоидни частици и т.н.), тези вещества се натрупват върху повърхността на мембраната, като постепенно образуват концентриран слой. С напредването на филтрирането концентрацията на разтвореното вещество в концентрирания слой се увеличава, като в крайна сметка достига разтворимостта на насищане на разтвореното вещество в системата, като по този начин се образува слой гел върху повърхността на мембраната. След образуването на геловия слой, дори ако трансмембранната разлика в налягането (TMP) продължава да се увеличава, потокът на пермеата вече не се увеличава значително. Този процес се нарича контрол на поляризацията на слоя гел. Тъй като разликата в налягането на мембраната се увеличава, скоростта на потока на пермеата първоначално се повишава и след това се стабилизира.
II. Анализ на математически модели и формули
1. Уравнение за пренос на поляризационния слой на гела
Когато концентрацията на разтвореното вещество върху повърхността на мембраната достигне насищане, процесът на пренос на маса на разтвореното вещество в близост до повърхността на мембраната може да се изчисли по следната формула:
Където: cm е концентрацията на макромолекулите върху повърхността на мембраната; cp е концентрацията на макромолекулите в пермеата; cb е средната концентрация на макромолекули в захранващата вода в рамките на мембранния елемент; Jw е потокът на пермеата; k е коефициентът на масов трансфер върху повърхността на мембраната.
Тази формула разкрива модела на "натрупване" на макромолекулите върху повърхността на мембраната: (1) Увеличаването на скоростта на напречния поток и увеличаването на k може да намали дебелината на поляризационния слой на гела; (2) Намаляването на работния поток може да контролира концентрацията на макромолекулите върху повърхността на мембраната под точката на гел.
2. Връзка между граничния поток и максималната концентрация
Когато концентрацията на макромолекули cm върху повърхността на мембраната достигне точката на гел cg, системата влиза в състояние на ограничаващ поток. Понастоящем формулата за пренос на маса може да бъде опростена до следната формула.
Това означава, че след като условията на работа накарат повърхностната концентрация на мембраната да достигне cg, по-нататъшното увеличаване на разликата в трансмембранното налягане вече няма да увеличи потока.
Инженерното значение на тази формула е: (1) При проектирането на процеса, ограничаващият поток е ключов параметър, определящ площта на мембраната и консумацията на енергия; (2) Стабилната работа на системата за ултрафилтрация трябва да избягва дългосрочна-работа в областта на ограничаващия поток.
3. Повърхностно налягане на мембраната и устойчивост на гел слой
Наличието на гел слой не само влияе върху масовия трансфер, но също така значително увеличава устойчивостта на филтриране. Математическият му израз е показан по-долу.
Където: ki,gel е коефициентът на съпротивление на слоя гел спрямо макромолекулно вещество i; Δl е дебелината на слоя гел; Di,gel е коефициентът на дифузия в слоя гел.
Това показва, че когато слоят гел стане по-дебел (Δl се увеличава) или дифузията в слоя гел се забави (Di,gel намалява), коефициентът на пренос на маса ki,gel ще намалее значително.
В инженерния дизайн: (1) Увеличаването на Δl може да се контролира чрез увеличаване на срязващата сила на напречния -поток, намаляване на концентрацията на разтвора или увеличаване на честотата на обратно промиване; (2) Намаляването на входящия вискозитет увеличава Di,gel; колкото по-висока е температурата на водата, толкова по-нисък е вискозитетът. III.
III. Разпределение на концентрацията на повърхността на мембраната и значение за дизайна
Макромолекулите имат относително ниски концентрации по-далече от мембраната, но техните концентрации бързо нарастват близо до мембраната, клонейки към насищане в слоя гел. Съответният математически модел е показан в следното уравнение:
Където: ki е коефициентът на масопренос на течната мембрана; ε е порьозността на слоя гел.
Тази формула отчита изчерпателно съпротивлението на течната мембрана при пренос на маса и съпротивлението на дифузия на слоя гел. Когато съдържанието на полимер в разтвора е високо или слоят гел е дебел, съпротивлението на дифузия се увеличава значително, което улеснява преждевременното достигане на ограничаващото състояние на потока.
Резюме
Поляризацията на геловия слой е едно от най-типичните оперативни тесни места в процесите на ултрафилтрация. Чрез анализа в тази статия можем да видим, че това не е просто проблем с „замърсяване“, а по-скоро резултат от комбинираните ефекти на пренос на маса, дифузия и работни условия. Математическата формула разкрива присъщата връзка между концентрацията, потока и съпротивлението на пренос на маса; дизайнът на процеса и оперативната оптимизация могат да контролират поляризацията на слоя гел до известна степен; за полимерните системи рационалният избор на работни условия е ключов за осигуряване на ефективност на ултрафилтрация. В практическото инженерство, ако формулите и принципите в тази статия се комбинират с динамично наблюдение на параметри като Jw, k, Di и гел, може да се постигне стабилна и ефективна работа на системата за ултрафилтрация.