Као што је познато, током рада мембрана нанофилтрације и реверзне осмозе постоји појава која се зове „поларизација концентрације“, што доводи до запрљања мембране. Пошто ултрафилтрација не концентрише растворене супстанце, већ само филтрирање, феномен "поларизације концентрације" није значајан током рада ултрафилтрационе мембране. Међутим, ултрафилтрација може задржати колоиде, тако да феномен „поларизације слоја гела” има значајан утицај на ултрафилтрационе мембране. Овај чланак дели принципе, формуле и инжењерски значај ултрафилтрационе мембране „поларизације слоја гела“ за професионалце за третман воде.
И. Концепт поларизације слоја гела
Током ултрафилтрације, када напојна вода садржи велику количину макромолекуларних растворених материја (као што су протеини, полисахариди, колоидне честице, итд.), Ове супстанце се акумулирају на површини мембране, постепено формирајући концентровани слој. Како филтрација напредује, концентрација раствора унутар концентрованог слоја се повећава, на крају достижући растворљивост растворене супстанце у засићењу у систему, формирајући тако слој гела на површини мембране. Након формирања слоја гела, чак и ако разлика у трансмембранском притиску (ТМП) настави да расте, флукс пермеата се више не повећава значајно. Овај процес се назива контрола поларизације слоја гела. Како се разлика мембранског притиска повећава, брзина протока пермеата у почетку расте, а затим се стабилизује.
ИИ. Математички модел и анализа формула
1. Једначина преноса поларизације слоја гела
Када концентрација растворене супстанце на површини мембране достигне засићење, процес преноса масе растворене супстанце близу површине мембране може се израчунати коришћењем следеће формуле:
Где је: цм концентрација макромолекула на површини мембране; цп је концентрација макромолекула у пермеату; цб је просечна концентрација макромолекула у напојној води унутар елемента мембране; Јв је флукс пермеата; к је коефицијент преноса масе на површини мембране.
Ова формула открива образац „акумулације“ макромолекула на површини мембране: (1) Повећање брзине унакрсног тока и повећање к може смањити дебљину слоја поларизације гела; (2) Смањење радног флукса може контролисати концентрацију макромолекула на површини мембране испод тачке гела.
2. Однос између граничног флукса и максималне концентрације
Када концентрација макромолекула цм на површини мембране достигне тачку гела цг, систем улази у гранично стање флукса. У овом тренутку, формула за пренос масе може се поједноставити на следећу формулу.
То значи да када услови рада проузрокују да површинска концентрација мембране достигне цг, даље повећање разлике трансмембранског притиска више неће повећавати флукс.
Инжењерски значај ове формуле је: (1) У пројектовању процеса, гранични флукс је кључни параметар који одређује површину мембране и потрошњу енергије; (2) Стабилан рад система ултрафилтрације треба да избегне-дуготрајан рад у области ограничавајућег протока.
3. Површински притисак мембране и отпорност слоја гела
Присуство слоја гела не утиче само на пренос масе, већ и значајно повећава отпорност на филтрацију. Његов математички израз је приказан испод.
Где је: ки,гел коефицијент отпорности слоја гела на макромолекуларну супстанцу и; Δл је дебљина слоја гела; Ди,гел је коефицијент дифузије унутар слоја гела.
Ово указује да када слој гела постане дебљи (Δл расте) или се дифузија унутар слоја гела успори (Ди,гел се смањује), коефицијент преноса масе ки,гел ће се значајно смањити.
У инжењерском пројектовању: (1) Повећање Δл се може контролисати повећањем силе смицања унакрсног-тока, смањењем концентрације раствора или повећањем фреквенције повратног испирања; (2) Смањење утицајног вискозитета повећава Ди,гел; што је температура воде виша, то је нижи вискозитет. ИИИ.
ИИИ. Расподела површинске концентрације мембране и значај дизајна
Макромолекули имају релативно ниске концентрације даље од мембране, али њихове концентрације брзо расту близу мембране, тежећи засићењу унутар слоја гела. Одговарајући математички модел је приказан у следећој једначини:
Где је: ки коефицијент преноса масе течне мембране; ε је порозност слоја гела.
Ова формула свеобухватно узима у обзир отпор преноса масе течне мембране и отпор дифузије слоја гела. Када је садржај полимера у раствору висок или је слој гела дебео, отпорност дифузије се значајно повећава, што олакшава прерано достизање граничног стања флукса.
Резиме
Поларизација слоја гела је једно од најтипичнијих оперативних уских грла у процесима ултрафилтрације. Кроз анализу у овом раду, можемо видети да то није само проблем „загађивања“, већ резултат комбинованих ефеката преноса масе, дифузије и радних услова. Математичка формула открива суштински однос између концентрације, флукса и отпора преноса масе; дизајн процеса и оперативна оптимизација могу да контролишу поларизацију слоја гела у одређеној мери; за полимерне системе, рационалан избор радних услова је кључан за обезбеђивање ефикасности ултрафилтрације. У практичном инжењерству, ако се формуле и принципи у овом раду комбинују са динамичким праћењем параметара као што су Јв, к, Ди и гел, може се постићи стабилан и ефикасан рад система ултрафилтрације.