Ultrafiltreringsmembran "Gel Layer Polarization": principer, formler och teknisk betydelse

Som är välkänt existerar ett fenomen som kallas "koncentrationspolarisering" under driften av nanofiltrerings- och omvänd osmosmembran, vilket leder till membrannedsmutsning. Eftersom ultrafiltrering inte koncentrerar lösta ämnen, endast filtrering, är fenomenet "koncentrationspolarisation" inte signifikant under ultrafiltreringsmembrandrift. Ultrafiltrering kan dock behålla kolloider, så fenomenet "gellagerpolarisering" har en betydande inverkan på ultrafiltreringsmembran. Den här artikeln delar principerna, formlerna och den tekniska betydelsen av ultrafiltreringsmembran "gellagerpolarisering" för proffs inom vattenbehandling.

Under ultrafiltrering, när matarvattnet innehåller en stor mängd makromolekylära lösta ämnen (såsom proteiner, polysackarider, kolloidala partiklar, etc.), ackumuleras dessa ämnen på membranytan och bildar gradvis ett koncentrerat skikt. När filtreringen fortskrider ökar koncentrationen av löst ämne i det koncentrerade skiktet, vilket slutligen når mättnadslösligheten för det lösta ämnet i systemet, vilket bildar ett gelskikt på membranytan. Efter att gelskiktet bildats, även om transmembrantrycksskillnaden (TMP) fortsätter att öka, ökar inte längre permeatflödet nämnvärt. Denna process kallas gellagerpolarisationskontroll. När membrantrycksskillnaden ökar, stiger permeatflödeshastigheten initialt och stabiliseras sedan.

1. Överföringsekvation för polarisering av gelskikt
När koncentrationen av löst ämne på membranytan når mättnad, kan massöverföringsprocessen för det lösta ämnet nära membranytan beräknas med hjälp av följande formel:

Där: cm är koncentrationen av makromolekyler på membranytan; cp är koncentrationen av makromolekyler i permeatet; cb är medelkoncentrationen av makromolekyler i matarvattnet inuti membranelementet; Jw är permeatflödet; k är massöverföringskoefficienten på membranytan.

Denna formel avslöjar mönstret av makromolekyl "ackumulering" på membranytan: (1) Ökning av tvärflödeshastigheten och ökning av k kan minska tjockleken på gelpolarisationsskiktet; (2) Att reducera driftflödet kan kontrollera koncentrationen av makromolekyler på membranytan under gelpunkten.

2. Samband mellan begränsande flöde och maximal koncentration
När koncentrationen av makromolekyler cm på membranytan når gelpunkten cg går systemet in i det begränsande flödestillståndet. Vid denna tidpunkt kan massöverföringsformeln förenklas till följande formel.

Detta betyder att när driftsförhållandena får membranets ytkoncentration att nå cg, kommer ytterligare ökning av transmembrantrycksskillnaden inte längre att öka flödet.

Den tekniska betydelsen av denna formel är: (1) I processdesign är det begränsande flödet en nyckelparameter som bestämmer membranytan och energiförbrukningen; (2) Stabil drift av ultrafiltreringssystemet bör undvika lång-drift i det begränsande flödesområdet.

3. Membranyttryck och gelskiktsbeständighet

Närvaron av gelskiktet påverkar inte bara massöverföringen utan ökar också avsevärt filtreringsmotståndet. Dess matematiska uttryck visas nedan.

Där: ki,gel är motståndskoefficienten för gelskiktet mot makromolekylär substans i; Al är tjockleken på gelskiktet; Di,gel är diffusionskoefficienten inom gelskiktet.

Detta indikerar att när gelskiktet blir tjockare (Δl ökar) eller diffusionen inuti gelskiktet saktar ner (Di,gel minskar), kommer massöverföringskoefficienten ki,gel att minska avsevärt.

I teknisk design: (1) Ökningen av Δl kan kontrolleras genom att öka tvärflödesskjuvkraften, minska lösningskoncentrationen eller öka backspolningsfrekvensen; (2) Reducering av inflödesviskositeten ökar Di,gel; ju högre vattentemperatur desto lägre viskositet. III.

Makromolekyler har relativt låga koncentrationer längre bort från membranet, men deras koncentrationer ökar snabbt nära membranet, vilket tenderar mot mättnad i gelskiktet. Den motsvarande matematiska modellen visas i följande ekvation:

Där: ki är vätskemembranets massöverföringskoefficient; ε är gelskiktets porositet.

Denna formel tar heltäckande hänsyn till vätskemembranets massöverföringsresistans och gelskiktets diffusionsbeständighet. När polymerhalten i lösningen är hög eller gelskiktet är tjockt ökar diffusionsmotståndet avsevärt, vilket gör det lättare att nå det begränsande flödestillståndet i förtid.

Sammanfattning

Gellagerpolarisering är en av de mest typiska operativa flaskhalsarna i ultrafiltreringsprocesser. Genom analysen i denna artikel kan vi se att det inte bara är ett "föroreningsproblem", utan snarare resultatet av de kombinerade effekterna av massöverföring, diffusion och driftsförhållanden. Den matematiska formeln avslöjar det inneboende förhållandet mellan koncentration, flöde och massöverföringsmotstånd; processdesign och operationell optimering kan kontrollera gelskiktets polarisering i viss utsträckning; för polymersystem är det rationella valet av driftsförhållanden nyckeln för att säkerställa ultrafiltreringseffektivitet. Inom praktisk ingenjörskonst, om formlerna och principerna i detta dokument kombineras med dynamisk övervakning av parametrar som Jw, k, Di och gel, kan en stabil och effektiv drift av ultrafiltreringssystemet uppnås.