Som det er velkendt, eksisterer et fænomen kaldet "koncentrationspolarisering" under driften af nanofiltrering og omvendt osmosemembraner, hvilket fører til membranbegroning. Da ultrafiltrering ikke koncentrerer opløste stoffer, kun filtrering, er fænomenet "koncentrationspolarisering" ikke signifikant under ultrafiltreringsmembrandrift. Ultrafiltrering kan dog tilbageholde kolloider, så fænomenet "gellagspolarisering" har en betydelig indvirkning på ultrafiltreringsmembraner. Denne artikel deler principperne, formlerne og den tekniske betydning af ultrafiltreringsmembran "gellagpolarisering" for vandbehandlingsprofessionelle.
I. Begrebet gellagspolarisering
Under ultrafiltrering, når fødevandet indeholder en stor mængde makromolekylære opløste stoffer (såsom proteiner, polysaccharider, kolloide partikler osv.), akkumuleres disse stoffer på membranoverfladen og danner gradvist et koncentreret lag. Efterhånden som filtreringen skrider frem, stiger koncentrationen af opløst stof i det koncentrerede lag, og når til sidst mætningsopløseligheden af det opløste stof i systemet, og danner således et gellag på membranoverfladen. Efter at gellaget er dannet, stiger permeatfluxen ikke længere væsentligt, selvom den transmembrane trykforskel (TMP) fortsætter med at stige. Denne proces kaldes gellagspolarisationskontrol. Efterhånden som membrantrykforskellen stiger, stiger permeatstrømningshastigheden til at begynde med og stabiliseres derefter.
II. Matematisk model- og formelanalyse
1. Overførselsligning af gellagspolarisering
Når koncentrationen af opløst stof på membranoverfladen når mætning, kan masseoverførselsprocessen for det opløste stof nær membranoverfladen beregnes ved hjælp af følgende formel:
Hvor: cm er koncentrationen af makromolekyler på membranoverfladen; cp er koncentrationen af makromolekyler i permeatet; cb er den gennemsnitlige koncentration af makromolekyler i fødevandet i membranelementet; Jw er permeatfluxen; k er masseoverførselskoefficienten på membranoverfladen.
Denne formel afslører mønsteret af makromolekyle-"akkumulering" på membranoverfladen: (1) Forøgelse af krydsstrømningshastigheden og forøgelse af k kan reducere tykkelsen af gelpolarisationslaget; (2) Reduktion af driftsfluxen kan kontrollere koncentrationen af makromolekyler på membranoverfladen under gelpunktet.
2. Forholdet mellem begrænsende flux og maksimal koncentration
Når koncentrationen af makromolekyler cm på membranoverfladen når gelpunktet cg, går systemet ind i den begrænsende fluxtilstand. På dette tidspunkt kan masseoverførselsformlen forenkles til følgende formel.
Dette betyder, at når først driftsbetingelserne får membranoverfladekoncentrationen til at nå cg, vil en yderligere forøgelse af transmembrantrykforskellen ikke længere øge fluxen.
Den tekniske betydning af denne formel er: (1) I procesdesign er den begrænsende flux en nøgleparameter, der bestemmer membranarealet og energiforbruget; (2) Stabil drift af ultrafiltreringssystemet bør undgå lang-drift i det begrænsende fluxområde.
3. Membranoverfladetryk og gellagsmodstand
Tilstedeværelsen af gellaget påvirker ikke kun masseoverførsel, men øger også filtreringsmodstanden betydeligt. Dets matematiske udtryk er vist nedenfor.
Hvor: ki,gel er gellagets modstandskoefficient over for makromolekylært stof i; Δl er tykkelsen af gellaget; Di,gel er diffusionskoefficienten i gellaget.
Dette indikerer, at når gellaget bliver tykkere (Δl stiger) eller diffusionen i gellaget aftager (Di,gel falder), vil masseoverførselskoefficienten ki,gel falde betydeligt.
I ingeniørdesign: (1) Forøgelsen af Δl kan kontrolleres ved at øge forskydningskraften på tværs-, reducere opløsningskoncentrationen eller øge tilbageskylningsfrekvensen; (2) Reduktion af den indgående viskositet øger Di,gel; jo højere vandtemperatur, jo lavere viskositet. III.
III. Membranoverfladekoncentrationsfordeling og designbetydning
Makromolekyler har relativt lave koncentrationer længere væk fra membranen, men deres koncentrationer stiger hurtigt nær membranen, hvilket tenderer mod mætning i gellaget. Den tilsvarende matematiske model er vist i følgende ligning:
Hvor: ki er væskemembranens masseoverførselskoefficient; ε er gellagets porøsitet.
Denne formel tager udførligt hensyn til væskemembranens masseoverførselsmodstand og gellagets diffusionsmodstand. Når polymerindholdet i opløsningen er højt, eller gellaget er tykt, øges diffusionsmodstanden betydeligt, hvilket gør det lettere at nå den begrænsende fluxtilstand for tidligt.
Oversigt
Gellagspolarisering er en af de mest typiske operationelle flaskehalse i ultrafiltreringsprocesser. Gennem analysen i dette papir kan vi se, at det ikke blot er et "tilsmudsningsproblem", men snarere resultatet af de kombinerede effekter af masseoverførsel, diffusion og driftsforhold. Den matematiske formel afslører det iboende forhold mellem koncentration, flux og masseoverførselsmodstand; procesdesign og operationel optimering kan kontrollere gellagets polarisering til en vis grad; for polymersystemer er det rationelle valg af driftsbetingelser nøglen til at sikre ultrafiltreringseffektivitet. I praktisk konstruktion, hvis formlerne og principperne i dette papir kombineres med dynamisk overvågning af parametre som Jw, k, Di og gel, kan den stabile og effektive drift af ultrafiltreringssystemet opnås.
