Ako je dobre známe, jav nazývaný "koncentračná polarizácia" existuje počas prevádzky nanofiltrácie a membrán s reverznou osmózou, čo vedie k zanášaniu membrány. Pretože ultrafiltrácia nekoncentruje rozpustené látky, ale iba filtráciu, jav "koncentračnej polarizácie" nie je počas prevádzky ultrafiltračnej membrány významný. Ultrafiltrácia však dokáže zadržať koloidy, takže fenomén „polarizácie gélovej vrstvy“ má významný vplyv na ultrafiltračné membrány. Tento článok zdieľa princípy, vzorce a technický význam „polarizácie gélovej vrstvy“ ultrafiltračnej membrány pre odborníkov na úpravu vody.
I. Koncepcia polarizácie gélovej vrstvy
Pri ultrafiltrácii, keď napájacia voda obsahuje veľké množstvo makromolekulárnych rozpustených látok (ako sú bielkoviny, polysacharidy, koloidné častice a pod.), sa tieto látky hromadia na povrchu membrány a postupne vytvárajú koncentrovanú vrstvu. Ako postupuje filtrácia, koncentrácia rozpustenej látky v koncentrovanej vrstve sa zvyšuje, prípadne dosiahne nasýtenú rozpustnosť rozpustenej látky v systéme, čím sa vytvorí gélová vrstva na povrchu membrány. Po vytvorení gélovej vrstvy, aj keď sa transmembránový tlakový rozdiel (TMP) naďalej zvyšuje, tok permeátu sa už výrazne nezvyšuje. Tento proces sa nazýva kontrola polarizácie gélovej vrstvy. Keď sa tlakový rozdiel membrány zvyšuje, rýchlosť prietoku permeátu spočiatku stúpa a potom sa stabilizuje.
II. Analýza matematického modelu a vzorca
1. Prenosová rovnica polarizácie gélovej vrstvy
Keď koncentrácia rozpustenej látky na povrchu membrány dosiahne nasýtenie, proces prenosu hmoty rozpustenej látky v blízkosti povrchu membrány možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
Kde: cm je koncentrácia makromolekúl na povrchu membrány; cp je koncentrácia makromolekúl v permeáte; cb je priemerná koncentrácia makromolekúl v napájacej vode v rámci membránového prvku; Jw je tok permeátu; k je koeficient prenosu hmoty na povrchu membrány.
Tento vzorec odhaľuje vzor "akumulácie" makromolekúl na povrchu membrány: (1) Zvýšenie rýchlosti priečneho toku a zvýšenie k môže znížiť hrúbku gélovej polarizačnej vrstvy; (2) Zníženie prevádzkového toku môže kontrolovať koncentráciu makromolekúl na povrchu membrány pod bodom gélu.
2. Vzťah medzi limitným tokom a maximálnou koncentráciou
Keď koncentrácia makromolekúl cm na povrchu membrány dosiahne bod gélu cg, systém sa dostane do stavu limitného toku. V súčasnosti možno vzorec prenosu hmoty zjednodušiť na nasledujúci vzorec.
To znamená, že akonáhle prevádzkové podmienky spôsobia, že povrchová koncentrácia membrány dosiahne cg, ďalšie zvyšovanie transmembránového tlakového rozdielu už nebude zvyšovať tok.
Technický význam tohto vzorca je: (1) Pri návrhu procesu je medzný tok kľúčovým parametrom určujúcim plochu membrány a spotrebu energie; (2) Stabilná prevádzka ultrafiltračného systému by sa mala vyhnúť-dlhodobej prevádzke v oblasti limitného toku.
3. Povrchový tlak membrány a odolnosť vrstvy gélu
Prítomnosť gélovej vrstvy ovplyvňuje nielen prenos hmoty, ale výrazne zvyšuje aj filtračnú odolnosť. Jeho matematické vyjadrenie je uvedené nižšie.
Kde: ki,gel je koeficient odporu gélovej vrstvy voči makromolekulárnej látke i; Al je hrúbka gélovej vrstvy; Di,gel je koeficient difúzie vo vrstve gélu.
To naznačuje, že keď sa gélová vrstva zhrubne (Al sa zväčší) alebo sa difúzia v gélovej vrstve spomalí (Di,gel sa zníži), koeficient prenosu hmoty ki,gel sa výrazne zníži.
V inžinierskom dizajne: (1) Nárast Δl možno kontrolovať zvýšením priečnej{1}}šmykovej sily prúdenia, znížením koncentrácie roztoku alebo zvýšením frekvencie spätného preplachovania; (2) Zníženie viskozity prítoku zvyšuje Di,gel; čím vyššia je teplota vody, tým nižšia je viskozita. III.
III. Distribúcia koncentrácie povrchu membrán a význam dizajnu
Makromolekuly majú relatívne nízke koncentrácie ďalej od membrány, ale ich koncentrácie sa rýchlo zvyšujú v blízkosti membrány, čo má tendenciu k nasýteniu vo vrstve gélu. Zodpovedajúci matematický model je znázornený v nasledujúcej rovnici:
Kde: ki je koeficient prenosu hmoty kvapalinovou membránou; ε je pórovitosť gélovej vrstvy.
Tento vzorec komplexne zohľadňuje odpor kvapalnej membrány pri prenose hmoty a difúzny odpor gélovej vrstvy. Keď je obsah polyméru v roztoku vysoký alebo vrstva gélu je hrubá, difúzny odpor sa výrazne zvyšuje, čo uľahčuje dosiahnutie medzného stavu toku predčasne.
Zhrnutie
Polarizácia gélovej vrstvy je jedným z najtypickejších prevádzkových prekážok v procesoch ultrafiltrácie. Prostredníctvom analýzy v tomto dokumente môžeme vidieť, že nejde len o „znečistený“ problém, ale skôr o výsledok kombinovaných účinkov prenosu hmoty, difúzie a prevádzkových podmienok. Matematický vzorec odhaľuje vnútorný vzťah medzi koncentráciou, tokom a odporom prenosu hmoty; návrh procesu a prevádzková optimalizácia môžu do určitej miery kontrolovať polarizáciu gélovej vrstvy; pre polymérne systémy je kľúčom k zabezpečeniu účinnosti ultrafiltrácie racionálny výber prevádzkových podmienok. V praktickom inžinierstve, ak sú vzorce a princípy v tomto článku kombinované s dynamickým monitorovaním parametrov, ako sú Jw, k, Di a gél, je možné dosiahnuť stabilnú a efektívnu prevádzku ultrafiltračného systému.