Ultrafiltrācijas membrānas "gēla slāņa polarizācija": principi, formulas un inženiertehniskā nozīme

Kā zināms, nanofiltrācijas un reversās osmozes membrānu darbības laikā pastāv fenomens, ko sauc par "koncentrācijas polarizāciju", kas izraisa membrānas piesārņojumu. Tā kā ultrafiltrācija nekoncentrē izšķīdušās vielas, bet tikai filtrē, "koncentrācijas polarizācijas" parādība ultrafiltrācijas membrānas darbības laikā nav nozīmīga. Tomēr ultrafiltrācija var aizturēt koloīdus, tāpēc "gēla slāņa polarizācijas" fenomenam ir būtiska ietekme uz ultrafiltrācijas membrānām. Šajā rakstā ir aprakstīti ultrafiltrācijas membrānas "gēla slāņa polarizācijas" principi, formulas un inženiertehniskā nozīme ūdens apstrādes profesionāļiem.

Ultrafiltrācijas laikā, kad barības ūdens satur lielu daudzumu makromolekulāro izšķīdušo vielu (piemēram, olbaltumvielas, polisaharīdi, koloidālās daļiņas u.c.), šīs vielas uzkrājas uz membrānas virsmas, pamazām veidojot koncentrētu slāni. Filtrēšanai progresējot, izšķīdušās vielas koncentrācija koncentrētajā slānī palielinās, galu galā sasniedzot izšķīdušās vielas piesātinājuma šķīdību sistēmā, tādējādi veidojot gēla slāni uz membrānas virsmas. Pēc gēla slāņa veidošanās, pat ja transmembrānas spiediena starpība (TMP) turpina palielināties, permeāta plūsma vairs būtiski nepalielinās. Šo procesu sauc par gēla slāņa polarizācijas kontroli. Palielinoties membrānas spiediena starpībai, permeāta plūsmas ātrums sākotnēji palielinās un pēc tam stabilizējas.

1. Gēla slāņa polarizācijas pārneses vienādojums
Kad izšķīdušās vielas koncentrācija uz membrānas virsmas sasniedz piesātinājumu, izšķīdušās vielas masas pārneses procesu membrānas virsmas tuvumā var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:

Kur: cm ir makromolekulu koncentrācija uz membrānas virsmas; cp ir makromolekulu koncentrācija permeātā; cb ir makromolekulu vidējā koncentrācija barības ūdenī membrānas elementā; Jw ir permeāta plūsma; k ir masas pārneses koeficients uz membrānas virsmas.

Šī formula atklāj makromolekulu "akumulācijas" modeli uz membrānas virsmas: (1) Palielinot šķērsplūsmas ātrumu un palielinot k, var samazināt gēla polarizācijas slāņa biezumu; (2) Darbības plūsmas samazināšana var kontrolēt makromolekulu koncentrāciju uz membrānas virsmas zem želejas punkta.

2. Saistība starp ierobežojošo plūsmu un maksimālo koncentrāciju
Kad makromolekulu koncentrācija cm uz membrānas virsmas sasniedz gēla punktu cg, sistēma nonāk ierobežojošā plūsmas stāvoklī. Šobrīd masas pārneses formulu var vienkāršot līdz šādai formulai.

Tas nozīmē, ka, tiklīdz darbības apstākļi liek membrānas virsmas koncentrācijai sasniegt cg, tālāk palielinot transmembrānas spiediena starpību, plūsma vairs nepalielinās.

Šīs formulas inženiertehniskā nozīme ir šāda: (1) procesa plānošanā ierobežojošā plūsma ir galvenais parametrs, kas nosaka membrānas laukumu un enerģijas patēriņu; (2) Ultrafiltrācijas sistēmas stabilai darbībai ir jāizvairās no ilgstošas ​​-darbības ierobežojošā plūsmas reģionā.

3. Membrānas virsmas spiediena un gēla slāņa izturība

Gēla slāņa klātbūtne ne tikai ietekmē masas pārnesi, bet arī ievērojami palielina filtrēšanas pretestību. Tā matemātiskā izteiksme ir parādīta zemāk.

kur: ki,gel ir gēla slāņa pretestības koeficients pret makromolekulāro vielu i; Δl ir gēla slāņa biezums; Di,gel ir difūzijas koeficients gēla slānī.

Tas norāda, ka tad, kad gēla slānis kļūst biezāks (Δl palielinās) vai difūzija gēla slānī palēninās (Di,gel samazinās), masas pārneses koeficients ki,gel ievērojami samazināsies.

Inženierprojektēšanā: (1) Δl pieaugumu var kontrolēt, palielinot šķērsplūsmas bīdes spēku, samazinot šķīduma koncentrāciju vai palielinot pretskalošanas biežumu; (2) Samazinot ieplūstošo viskozitāti, palielinās Di,gel; jo augstāka ūdens temperatūra, jo zemāka viskozitāte. III.

Makromolekulām ir salīdzinoši zemas koncentrācijas tālāk no membrānas, bet to koncentrācija strauji palielinās membrānas tuvumā, tiecoties uz piesātinājumu gēla slānī. Atbilstošais matemātiskais modelis ir parādīts šādā vienādojumā:

kur: ki ir šķidruma membrānas masas pārneses koeficients; ε ir gēla slāņa porainība.

Šī formula vispusīgi ņem vērā šķidrās membrānas masas pārneses pretestību un gēla slāņa difūzijas pretestību. Ja polimēra saturs šķīdumā ir augsts vai gēla slānis ir biezs, difūzijas pretestība ievērojami palielinās, atvieglojot priekšlaicīgu ierobežojošo plūsmas stāvokli.

Kopsavilkums

Gēla slāņa polarizācija ir viens no tipiskākajiem darbības traucējumiem ultrafiltrācijas procesos. Izmantojot šajā rakstā sniegto analīzi, mēs varam redzēt, ka tā nav tikai "piesārņojuma" problēma, bet gan masas pārneses, difūzijas un darbības apstākļu apvienotās ietekmes rezultāts. Matemātiskā formula atklāj raksturīgo saistību starp koncentrāciju, plūsmu un masas pārneses pretestību; procesa projektēšana un darbības optimizācija zināmā mērā var kontrolēt gēla slāņa polarizāciju; polimēru sistēmām racionāla darbības apstākļu izvēle ir galvenais, lai nodrošinātu ultrafiltrācijas efektivitāti. Praktiskajā inženierijā, ja šajā rakstā minētās formulas un principus apvieno ar tādu parametru kā Jw, k, Di un gel dinamisku uzraudzību, var panākt stabilu un efektīvu ultrafiltrācijas sistēmas darbību.