Seperti yang diketahui, fenomena yang dipanggil "polarisasi kepekatan" wujud semasa operasi penapisan nano dan membran osmosis terbalik, yang membawa kepada kekotoran membran. Oleh kerana ultrafiltrasi tidak menumpukan bahan terlarut, hanya penapisan, fenomena "polarisasi kepekatan" tidak penting semasa operasi membran ultrafiltrasi. Walau bagaimanapun, ultrafiltrasi boleh mengekalkan koloid, jadi fenomena "polarisasi lapisan gel" mempunyai kesan yang ketara pada membran ultrafiltrasi. Artikel ini berkongsi prinsip, formula dan kepentingan kejuruteraan membran ultrafiltrasi "polarisasi lapisan gel" untuk profesional rawatan air.
I. Konsep Polarisasi Lapisan Gel
Semasa ultrafiltrasi, apabila air suapan mengandungi sejumlah besar zat terlarut makromolekul (seperti protein, polisakarida, zarah koloid, dll.), Bahan-bahan ini terkumpul pada permukaan membran, secara beransur-ansur membentuk lapisan pekat. Apabila penapisan berlangsung, kepekatan zat terlarut dalam lapisan pekat meningkat, akhirnya mencapai keterlarutan tepu zat terlarut dalam sistem, dengan itu membentuk lapisan gel pada permukaan membran. Selepas lapisan gel terbentuk, walaupun perbezaan tekanan transmembran (TMP) terus meningkat, fluks resapan tidak lagi meningkat dengan ketara. Proses ini dipanggil kawalan polarisasi lapisan gel. Apabila perbezaan tekanan membran meningkat, kadar aliran meresap pada mulanya meningkat dan kemudian menjadi stabil.
II. Analisis Model dan Formula Matematik
1. Persamaan Pemindahan Polarisasi Lapisan Gel
Apabila kepekatan zat terlarut pada permukaan membran mencapai ketepuan, proses pemindahan jisim zat terlarut berhampiran permukaan membran boleh dikira menggunakan formula berikut:
Di mana: cm ialah kepekatan makromolekul pada permukaan membran; cp ialah kepekatan makromolekul dalam resapan; cb ialah kepekatan purata makromolekul dalam air suapan dalam unsur membran; Jw ialah fluks meresap; k ialah pekali pemindahan jisim pada permukaan membran.
Formula ini mendedahkan corak "pengumpulan" makromolekul pada permukaan membran: (1) Meningkatkan halaju aliran silang dan meningkatkan k boleh mengurangkan ketebalan lapisan polarisasi gel; (2) Mengurangkan fluks operasi boleh mengawal kepekatan makromolekul pada permukaan membran di bawah titik gel.
2. Hubungan antara Menghadkan Fluks dan Kepekatan Maksimum
Apabila kepekatan makromolekul cm pada permukaan membran mencapai titik gel cg, sistem memasuki keadaan fluks mengehadkan. Pada masa ini, formula pemindahan jisim boleh dipermudahkan kepada formula berikut.
Ini bermakna apabila keadaan operasi menyebabkan kepekatan permukaan membran mencapai cg, meningkatkan lagi perbezaan tekanan transmembran tidak lagi meningkatkan fluks.
Kepentingan kejuruteraan formula ini ialah: (1) Dalam reka bentuk proses, fluks pengehad adalah parameter utama yang menentukan kawasan membran dan penggunaan tenaga; (2) Pengendalian sistem ultraturasan yang stabil harus mengelakkan-operasi jangka panjang di kawasan fluks mengehadkan.
3. Tekanan Permukaan Membran dan Rintangan Lapisan Gel
Kehadiran lapisan gel bukan sahaja menjejaskan pemindahan jisim tetapi juga meningkatkan rintangan penapisan dengan ketara. Ungkapan matematiknya ditunjukkan di bawah.
Di mana: ki,gel ialah pekali rintangan lapisan gel kepada bahan makromolekul i; Δl ialah ketebalan lapisan gel; Di,gel ialah pekali resapan dalam lapisan gel.
Ini menunjukkan bahawa apabila lapisan gel menjadi lebih tebal (Δl meningkat) atau resapan dalam lapisan gel menjadi perlahan (Di,gel berkurangan), pekali pemindahan jisim ki,gel akan berkurangan dengan ketara.
Dalam reka bentuk kejuruteraan: (1) Peningkatan Δl boleh dikawal dengan meningkatkan-daya ricih aliran, mengurangkan kepekatan larutan atau meningkatkan kekerapan cucian belakang; (2) Mengurangkan kelikatan influen meningkatkan Di,gel; semakin tinggi suhu air, semakin rendah kelikatan. III.
III. Taburan Kepekatan Permukaan Membran dan Kepentingan Reka Bentuk
Makromolekul mempunyai kepekatan yang agak rendah lebih jauh dari membran, tetapi kepekatannya meningkat dengan cepat berhampiran membran, cenderung ke arah tepu dalam lapisan gel. Model matematik yang sepadan ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Di mana: ki ialah pekali pemindahan jisim membran cecair; ε ialah keliangan lapisan gel.
Formula ini secara menyeluruh mempertimbangkan rintangan pemindahan jisim membran cecair dan rintangan resapan lapisan gel. Apabila kandungan polimer dalam larutan tinggi atau lapisan gel tebal, rintangan resapan meningkat dengan ketara, menjadikannya lebih mudah untuk mencapai keadaan fluks mengehadkan lebih awal.
Ringkasan
Polarisasi lapisan gel adalah salah satu kesesakan operasi yang paling tipikal dalam proses ultraturasan. Melalui analisis dalam kertas kerja ini, kita dapat melihat bahawa ia bukan semata-mata masalah "kekotoran", sebaliknya hasil daripada kesan gabungan pemindahan jisim, resapan, dan keadaan operasi. Formula matematik mendedahkan hubungan intrinsik antara kepekatan, fluks, dan rintangan pemindahan jisim; reka bentuk proses dan pengoptimuman operasi boleh mengawal polarisasi lapisan gel ke tahap tertentu; untuk sistem polimer, pemilihan keadaan operasi yang rasional adalah kunci untuk memastikan kecekapan ultraturasan. Dalam kejuruteraan praktikal, jika formula dan prinsip dalam kertas ini digabungkan dengan pemantauan dinamik parameter seperti Jw, k, Di, dan gel, operasi yang stabil dan cekap sistem ultraturasan boleh dicapai.