Mint ismeretes, a nanoszűrés és a fordított ozmózisos membránok működése során a „koncentrációs polarizációnak” nevezett jelenség létezik, ami a membránok eltömődéséhez vezet. Mivel az ultraszűrés nem koncentrálja az oldott anyagokat, csak a szűrést, a "koncentrációs polarizáció" jelenség nem jelentős az ultraszűrő membrán működése során. Az ultraszűrés azonban visszatarthatja a kolloidokat, így a "gélréteg polarizáció" jelensége jelentős hatással van az ultraszűrő membránokra. Ez a cikk megosztja az ultraszűrő membrán "gélréteg polarizáció" elveit, képleteit és mérnöki jelentőségét a vízkezelő szakemberek számára.
I. A gélréteg polarizáció fogalma
Az ultraszűrés során, amikor a tápvíz nagy mennyiségű makromolekuláris oldott anyagot (például fehérjéket, poliszacharidokat, kolloid részecskéket stb.) tartalmaz, ezek az anyagok felhalmozódnak a membrán felületén, fokozatosan koncentrált réteget képezve. A szűrés előrehaladtával az oldott anyag koncentrációja a koncentrált rétegben növekszik, végül eléri az oldott anyag telítési oldhatóságát a rendszerben, így gélréteget képez a membrán felületén. A gélréteg kialakulása után, még ha a transzmembrán nyomáskülönbség (TMP) tovább növekszik, a permeátum fluxus már nem növekszik jelentősen. Ezt a folyamatot gélréteg polarizációszabályozásnak nevezik. A membránnyomás-különbség növekedésével a permeátum áramlási sebessége kezdetben emelkedik, majd stabilizálódik.
II. Matematikai modell és képletelemzés
1. A gélréteg polarizációjának átviteli egyenlete
Amikor az oldott anyag koncentrációja a membrán felületén eléri a telítettséget, a membrán felületéhez közeli oldott anyag tömegátadási folyamata a következő képlettel számítható ki:
Ahol: cm a makromolekulák koncentrációja a membrán felületén; cp a makromolekulák koncentrációja a permeátumban; cb a makromolekulák átlagos koncentrációja a tápvízben a membránelemen belül; Jw a permeátum fluxusa; k a membrán felületének tömegátadási tényezője.
Ez a képlet feltárja a makromolekulák "felhalmozódásának" mintázatát a membrán felületén: (1) A keresztáramlási sebesség növelése és a k növelése csökkentheti a gélpolarizációs réteg vastagságát; (2) A működési fluxus csökkentésével szabályozható a makromolekulák koncentrációja a membrán felületén a gélpont alatt.
2. A fluxuskorlátozás és a maximális koncentráció kapcsolata
Amikor a makromolekulák cm koncentrációja a membrán felületén eléri a cg gélpontot, a rendszer a fluxus határállapotába kerül. Jelenleg a tömegátviteli képlet a következő képletre egyszerűsíthető.
Ez azt jelenti, hogy amint az üzemi körülmények hatására a membrán felületi koncentrációja eléri a cg-t, a transzmembrán nyomáskülönbség további növelése már nem növeli a fluxust.
Ennek a képletnek a mérnöki jelentősége a következő: (1) A folyamattervezésben a korlátozó fluxus kulcsfontosságú paraméter, amely meghatározza a membrán területét és az energiafogyasztást; (2) Az ultraszűrő rendszer stabil működésének el kell kerülnie a hosszú távú működést a korlátozó fluxus tartományban.
3. Membránfelületi nyomás és gélréteg ellenállás
A gélréteg jelenléte nemcsak a tömegátadást befolyásolja, hanem jelentősen növeli a szűrési ellenállást is. Matematikai kifejezése az alábbiakban látható.
ahol: ki,gél a gélréteg ellenállási együtthatója az i. makromolekuláris anyaggal szemben; Δl a gélréteg vastagsága; Di,gel a diffúziós együttható a gélrétegen belül.
Ez azt jelzi, hogy amikor a gélréteg vastagabb lesz (Δl nő) vagy a diffúzió a gélrétegen belül lelassul (Di,gel csökken), a ki,gel tömegátadási együttható jelentősen csökken.
A mérnöki tervezésben: (1) A Δl növekedése szabályozható a keresztáram-nyíróerő növelésével, az oldatkoncentráció csökkentésével vagy a visszamosás gyakoriságának növelésével; (2) A befolyó viszkozitás csökkentése növeli a Di,gél; minél magasabb a víz hőmérséklete, annál alacsonyabb a viszkozitása. III.
III. A membránfelület koncentrációjának eloszlása és tervezési jelentősége
A makromolekulák koncentrációja viszonylag alacsony a membrántól távolabb, de koncentrációjuk a membrán közelében gyorsan növekszik, és a gélrétegen belül a telítettség felé hajlik. A megfelelő matematikai modellt a következő egyenlet mutatja:
ahol: ki a folyékony membrán tömegátadási tényezője; ε a gélréteg porozitása.
Ez a képlet átfogóan figyelembe veszi a folyékony membrán tömegátadási ellenállását és a gélréteg diffúziós ellenállását. Ha az oldatban magas a polimertartalom vagy vastag a gélréteg, akkor a diffúziós ellenállás jelentősen megnő, így könnyebben elérhető a fluxus határállapota idő előtt.
Összegzés
A gélréteg polarizációja az ultraszűrési folyamatok egyik legjellemzőbb működési szűk keresztmetszete. Az ebben a cikkben szereplő elemzésből láthatjuk, hogy ez nem pusztán "szennyeződési" probléma, hanem inkább a tömegátadás, diffúzió és működési feltételek együttes hatásának eredménye. A matematikai képlet felfedi a koncentráció, a fluxus és az anyagátadási ellenállás közötti belső kapcsolatot; a folyamattervezés és a működési optimalizálás bizonyos mértékig szabályozhatja a gélréteg polarizációját; polimer rendszerek esetében a működési feltételek ésszerű megválasztása kulcsfontosságú az ultraszűrés hatékonyságának biztosításához. A gyakorlati mérnöki gyakorlatban, ha a jelen dolgozatban szereplő képleteket és elveket kombináljuk olyan paraméterek dinamikus monitorozásával, mint a Jw, k, Di és a gél, az ultraszűrő rendszer stabil és hatékony működése érhető el.