După cum este bine cunoscut, în timpul funcționării membranelor de nanofiltrare și osmoză inversă există un fenomen numit „polarizare de concentrație”, ceea ce duce la murdărirea membranei. Deoarece ultrafiltrarea nu concentrează substanțele dizolvate, ci doar filtrarea, fenomenul de „polarizare a concentrației” nu este semnificativ în timpul funcționării membranei de ultrafiltrare. Cu toate acestea, ultrafiltrarea poate reține coloizii, astfel încât fenomenul de „polarizare a stratului de gel” are un impact semnificativ asupra membranelor de ultrafiltrare. Acest articol împărtășește principiile, formulele și semnificația inginerească a „polarizării stratului de gel” a membranei de ultrafiltrare pentru profesioniștii în tratarea apei.
I. Conceptul de polarizare a stratului de gel
În timpul ultrafiltrării, când apa de alimentare conține o cantitate mare de substanțe dizolvate macromoleculare (cum ar fi proteine, polizaharide, particule coloidale etc.), aceste substanțe se acumulează pe suprafața membranei, formând treptat un strat concentrat. Pe măsură ce filtrarea progresează, concentrația de dizolvat în stratul concentrat crește, ajungând în cele din urmă la solubilitatea de saturație a substanței dizolvate în sistem, formând astfel un strat de gel pe suprafața membranei. După ce se formează stratul de gel, chiar dacă diferența de presiune transmembranară (TMP) continuă să crească, fluxul de permeat nu mai crește semnificativ. Acest proces se numește controlul polarizării stratului de gel. Pe măsură ce diferența de presiune a membranei crește, debitul de permeat crește inițial și apoi se stabilizează.
II. Analiza modelului matematic și formulelor
1. Ecuația de transfer a polarizării stratului de gel
Când concentrația de dizolvat pe suprafața membranei ajunge la saturație, procesul de transfer de masă al substanței dizolvate lângă suprafața membranei poate fi calculat folosind următoarea formulă:
Unde: cm este concentrația de macromolecule pe suprafața membranei; cp este concentrația de macromolecule din permeat; cb este concentrația medie de macromolecule din apa de alimentare din elementul de membrană; Jw este fluxul de permeat; k este coeficientul de transfer de masă pe suprafața membranei.
Această formulă dezvăluie modelul de „acumulare” de macromolecule pe suprafața membranei: (1) Creșterea vitezei de curgere transversală și creșterea k poate reduce grosimea stratului de polarizare a gelului; (2) Reducerea fluxului de operare poate controla concentrația de macromolecule pe suprafața membranei sub punctul de gel.
2. Relația dintre fluxul limitator și concentrația maximă
Când concentrația de macromolecule cm pe suprafața membranei atinge punctul de gel cg, sistemul intră în starea de flux limitator. În acest moment, formula de transfer de masă poate fi simplificată la următoarea formulă.
Aceasta înseamnă că, odată ce condițiile de funcționare fac ca concentrația de suprafață a membranei să atingă cg, creșterea suplimentară a diferenței de presiune transmembranară nu va mai crește fluxul.
Semnificația inginerească a acestei formule este: (1) În proiectarea procesului, fluxul limitator este un parametru cheie care determină suprafața membranei și consumul de energie; (2) Funcționarea stabilă a sistemului de ultrafiltrare ar trebui să evite funcționarea pe termen lung-în regiunea de limitare a fluxului.
3. Presiunea suprafeței membranei și rezistența stratului de gel
Prezența stratului de gel nu numai că afectează transferul de masă, ci și crește semnificativ rezistența la filtrare. Expresia sa matematică este prezentată mai jos.
Unde: ki,gel este coeficientul de rezistență al stratului de gel la substanța macromoleculară i; Δl este grosimea stratului de gel; Di,gel este coeficientul de difuzie în stratul de gel.
Acest lucru indică faptul că atunci când stratul de gel devine mai gros (Δl crește) sau difuzia în interiorul stratului de gel încetinește (Di,gel scade), coeficientul de transfer de masă ki,gel va scădea semnificativ.
În proiectarea inginerească: (1) Creșterea Δl poate fi controlată prin creșterea forței de forfecare a fluxului transversal-, reducerea concentrației soluției sau creșterea frecvenței de spălare în contra; (2) Reducerea vâscozității influentului crește Di,gel; cu cât temperatura apei este mai mare, cu atât vascozitatea este mai mică. III.
III. Distribuția concentrației suprafeței membranei și semnificația proiectării
Macromoleculele au concentrații relativ scăzute mai departe de membrană, dar concentrațiile lor cresc rapid în apropierea membranei, tinzând spre saturație în stratul de gel. Modelul matematic corespunzător este prezentat în următoarea ecuație:
Unde: ki este coeficientul de transfer al masei membranei lichide; ε este porozitatea stratului de gel.
Această formulă ia în considerare în mod cuprinzător rezistența la transferul de masă a membranei lichide și rezistența la difuzia stratului de gel. Când conținutul de polimer în soluție este mare sau stratul de gel este gros, rezistența la difuzie crește semnificativ, făcând mai ușor atingerea prematură a stării de flux limitator.
Rezumat
Polarizarea stratului de gel este una dintre cele mai tipice blocaje operaționale în procesele de ultrafiltrare. Prin analiza din această lucrare, putem vedea că nu este o simplă problemă de „fouling”, ci mai degrabă rezultatul efectelor combinate ale transferului de masă, difuziei și condițiilor de funcționare. Formula matematică dezvăluie relația intrinsecă dintre concentrație, flux și rezistența la transferul de masă; proiectarea procesului și optimizarea operațională pot controla polarizarea stratului de gel într-o anumită măsură; pentru sistemele polimerice, selectarea rațională a condițiilor de funcționare este cheia pentru asigurarea eficienței ultrafiltrației. În inginerie practică, dacă formulele și principiile din această lucrare sunt combinate cu monitorizarea dinamică a parametrilor precum Jw, k, Di și gel, se poate obține funcționarea stabilă și eficientă a sistemului de ultrafiltrare.