Ultrafiltratsioonimembraani "geelikihi polarisatsioon": põhimõtted, valemid ja tehniline tähtsus

Nagu on hästi teada, eksisteerib nanofiltratsiooni ja pöördosmoosi membraanide töötamise ajal nähtus, mida nimetatakse "kontsentratsioonipolarisatsiooniks", mis viib membraani saastumiseni. Kuna ultrafiltreerimine ei kontsentreeri lahustunud aineid, vaid ainult filtreerimist, ei ole "kontsentratsiooni polarisatsiooni" nähtus ultrafiltratsioonimembraani töötamise ajal oluline. Ultrafiltreerimine võib aga säilitada kolloide, mistõttu "geelikihi polarisatsiooni" nähtus mõjutab oluliselt ultrafiltratsioonimembraane. See artikkel jagab veetöötluse spetsialistide jaoks ultrafiltratsioonimembraani "geelikihi polarisatsiooni" põhimõtteid, valemeid ja tehnilist tähtsust.

Ultrafiltratsiooni käigus, kui toitevesi sisaldab suures koguses makromolekulaarseid lahustunud aineid (nagu valgud, polüsahhariidid, kolloidosakesed jne), kogunevad need ained membraani pinnale, moodustades järk-järgult kontsentreeritud kihi. Filtreerimise edenedes lahustunud aine kontsentratsioon kontsentreeritud kihis suureneb, saavutades lõpuks lahustunud aine küllastuslahustuvuse süsteemis, moodustades seega membraani pinnale geelikihi. Pärast geelikihi moodustumist, isegi kui transmembraanne rõhuerinevus (TMP) jätkab suurenemist, ei suurene permeaadi voog enam oluliselt. Seda protsessi nimetatakse geelikihi polarisatsiooni juhtimiseks. Membraani rõhuerinevuse suurenedes permeaadi voolukiirus esialgu tõuseb ja seejärel stabiliseerub.

1. Geelikihi polarisatsiooni ülekandevõrrand
Kui lahustunud aine kontsentratsioon membraani pinnal jõuab küllastumiseni, saab membraanipinna lähedal oleva lahustunud aine massiülekande protsessi arvutada järgmise valemi abil:

Kus: cm on makromolekulide kontsentratsioon membraani pinnal; cp on makromolekulide kontsentratsioon permeaadis; cb on makromolekulide keskmine kontsentratsioon toitevees membraanielemendi sees; Jw on permeaadi voog; k on massiülekandetegur membraani pinnal.

See valem näitab makromolekulide "akumuleerumise" mustrit membraani pinnal: (1) ristvoolu kiiruse suurendamine ja k suurendamine võib vähendada geeli polarisatsioonikihi paksust; (2) Töövoo vähendamine võib kontrollida makromolekulide kontsentratsiooni membraani pinnal geelipunktist allpool.

2. Piirava voolu ja maksimaalse kontsentratsiooni vaheline seos
Kui makromolekulide kontsentratsioon cm membraani pinnal jõuab geelipunktini cg, läheb süsteem piiravasse voolu olekusse. Praegu saab massiülekande valemit lihtsustada järgmise valemiga.

See tähendab, et kui töötingimused põhjustavad membraani pinnakontsentratsiooni jõudmist cg-ni, ei suurenda transmembraanse rõhuerinevuse edasine suurendamine enam voogu.

Selle valemi tehniline tähtsus on järgmine: (1) Protsessi kavandamisel on piirav voog membraani pindala ja energiatarbimise määrav põhiparameeter; (2) Ultrafiltreerimissüsteemi stabiilne töö peaks vältima pikaajalist töötamist-voolu piiravas piirkonnas.

3. Membraani pinna surve ja geelikihi vastupidavus

Geelikihi olemasolu ei mõjuta mitte ainult massiülekannet, vaid suurendab oluliselt ka filtreerimiskindlust. Selle matemaatiline avaldis on näidatud allpool.

Kus: ki,gel on geelikihi takistustegur makromolekulaarse aine i suhtes; Δl on geelikihi paksus; Di,gel on difusioonikoefitsient geelikihis.

See näitab, et kui geelikiht muutub paksemaks (Δl suureneb) või difusioon geelikihis aeglustub (Di,gel väheneb), väheneb massiülekandetegur ki,gel oluliselt.

Tehnilises projekteerimises: (1) Δl suurenemist saab kontrollida, suurendades ristvoolu-nihkejõudu, vähendades lahuse kontsentratsiooni või suurendades tagasipesu sagedust; (2) sissevoolu viskoossuse vähendamine suurendab Di,geeli; mida kõrgem on vee temperatuur, seda madalam on viskoossus. III.

Makromolekulide kontsentratsioonid on membraanist kaugemal suhteliselt madalad, kuid nende kontsentratsioonid suurenevad kiiresti membraani lähedal, kaldudes geelikihi küllastumise poole. Vastav matemaatiline mudel on näidatud järgmises võrrandis:

kus: ki on vedelmembraani massiülekandetegur; ε on geelikihi poorsus.

See valem arvestab põhjalikult vedelmembraani massiülekande takistust ja geelikihi difusioonitakistust. Kui polümeerisisaldus lahuses on kõrge või geelikiht on paks, suureneb difusioonitakistus oluliselt, muutes voolu piirava oleku enneaegse saavutamise lihtsamaks.

Kokkuvõte

Geelikihi polarisatsioon on ultrafiltratsiooniprotsesside üks tüüpilisemaid kitsaskohti. Käesolevas artiklis esitatud analüüsi kaudu näeme, et see ei ole pelgalt saastumise probleem, vaid pigem massiülekande, difusiooni ja töötingimuste koosmõju tulemus. Matemaatiline valem paljastab olemusliku seose kontsentratsiooni, voo ja massiülekande takistuse vahel; protsessi kavandamine ja töö optimeerimine võivad teatud määral kontrollida geelikihi polarisatsiooni; polümeersüsteemide puhul on töötingimuste ratsionaalne valik ultrafiltreerimise efektiivsuse tagamisel võtmetähtsusega. Praktilises inseneritöös, kui käesolevas artiklis toodud valemid ja põhimõtted kombineeritakse selliste parameetrite nagu Jw, k, Di ja geel dünaamilise jälgimisega, on võimalik saavutada ultrafiltreerimissüsteemi stabiilne ja tõhus töö.