Com és ben sabut, durant el funcionament de les membranes de nanofiltració i osmosi inversa existeix un fenomen anomenat "polarització de concentració", que provoca l'encrassement de la membrana. Com que l'ultrafiltració no concentra soluts, només filtra, el fenomen de "polarització de la concentració" no és significatiu durant el funcionament de la membrana d'ultrafiltració. Tanmateix, l'ultrafiltració pot retenir col·loides, de manera que el fenomen de "polarització de la capa de gel" té un impacte significatiu en les membranes d'ultrafiltració. Aquest article comparteix els principis, les fórmules i la importància de l'enginyeria de la "polarització de la capa de gel" de la membrana d'ultrafiltració per als professionals del tractament d'aigua.
I. Concepte de polarització de la capa de gel
Durant la ultrafiltració, quan l'aigua d'alimentació conté una gran quantitat de soluts macromoleculars (com proteïnes, polisacàrids, partícules col·loïdals, etc.), aquestes substàncies s'acumulen a la superfície de la membrana, formant gradualment una capa concentrada. A mesura que avança la filtració, la concentració de solut dins de la capa concentrada augmenta, arribant finalment a la solubilitat de saturació del solut en el sistema, formant així una capa de gel a la superfície de la membrana. Després de la formació de la capa de gel, fins i tot si la diferència de pressió transmembrana (TMP) continua augmentant, el flux de permeat ja no augmenta significativament. Aquest procés s'anomena control de polarització de la capa de gel. A mesura que augmenta la diferència de pressió de la membrana, el cabal de permeat augmenta inicialment i després s'estabilitza.
II. Anàlisi de models i fórmules matemàtiques
1. Equació de transferència de polarització de la capa de gel
Quan la concentració de solut a la superfície de la membrana arriba a la saturació, el procés de transferència de massa del solut a prop de la superfície de la membrana es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
On: cm és la concentració de macromolècules a la superfície de la membrana; cp és la concentració de macromolècules en el permeat; cb és la concentració mitjana de macromolècules a l'aigua d'alimentació dins de l'element de membrana; Jw és el flux de permeat; k és el coeficient de transferència de massa a la superfície de la membrana.
Aquesta fórmula revela el patró d'"acumulació" de macromolècules a la superfície de la membrana: (1) augmentar la velocitat del flux creuat i augmentar k pot reduir el gruix de la capa de polarització del gel; (2) La reducció del flux operatiu pot controlar la concentració de macromolècules a la superfície de la membrana per sota del punt de gel.
2. Relació entre el flux limitant i la concentració màxima
Quan la concentració de macromolècules cm a la superfície de la membrana arriba al punt de gel cg, el sistema entra a l'estat de flux límit. En aquest moment, la fórmula de transferència de massa es pot simplificar a la fórmula següent.
Això significa que una vegada que les condicions de funcionament fan que la concentració de la superfície de la membrana arribi a cg, augmentar encara més la diferència de pressió transmembrana ja no augmentarà el flux.
La importància d'enginyeria d'aquesta fórmula és: (1) En el disseny del procés, el flux limitant és un paràmetre clau que determina l'àrea de la membrana i el consum d'energia; (2) El funcionament estable del sistema d'ultrafiltració hauria d'evitar el funcionament a llarg termini-a la regió de flux limitant.
3. Pressió superficial de la membrana i resistència a la capa de gel
La presència de la capa de gel no només afecta la transferència de massa, sinó que també augmenta significativament la resistència a la filtració. La seva expressió matemàtica es mostra a continuació.
On: ki,gel és el coeficient de resistència de la capa de gel a la substància macromolecular i; Δl és el gruix de la capa de gel; Di,gel és el coeficient de difusió dins de la capa de gel.
Això indica que quan la capa de gel es fa més gruixuda (Δl augmenta) o la difusió dins de la capa de gel es ralenteix (Di,gel disminueix), el coeficient de transferència de massa ki,gel disminuirà significativament.
En el disseny d'enginyeria: (1) L'augment de Δl es pot controlar augmentant la força de tall del flux creuat-, reduint la concentració de la solució o augmentant la freqüència de rentat; (2) La reducció de la viscositat de l'influent augmenta Di,gel; com més alta sigui la temperatura de l'aigua, menor serà la viscositat. III.
III. Distribució de la concentració de la superfície de la membrana i importància del disseny
Les macromolècules tenen concentracions relativament baixes més allunyades de la membrana, però les seves concentracions augmenten ràpidament a prop de la membrana i tendeixen a la saturació dins de la capa de gel. El model matemàtic corresponent es mostra a la següent equació:
On: ki és el coeficient de transferència de massa de la membrana líquida; ε és la porositat de la capa de gel.
Aquesta fórmula considera exhaustivament la resistència a la transferència de massa de la membrana líquida i la resistència a la difusió de la capa de gel. Quan el contingut de polímer a la solució és elevat o la capa de gel és gruixuda, la resistència a la difusió augmenta significativament, facilitant l'assoliment prematur de l'estat de flux limitant.
Resum
La polarització de la capa de gel és un dels colls d'ampolla operatius més típics en els processos d'ultrafiltració. A través de l'anàlisi d'aquest article, podem veure que no es tracta només d'un problema de "fouling", sinó més aviat del resultat dels efectes combinats de la transferència de massa, la difusió i les condicions de funcionament. La fórmula matemàtica revela la relació intrínseca entre concentració, flux i resistència a la transferència de massa; el disseny del procés i l'optimització operativa poden controlar la polarització de la capa de gel fins a cert punt; per als sistemes de polímers, la selecció racional de les condicions de funcionament és clau per garantir l'eficiència d'ultrafiltració. En enginyeria pràctica, si les fórmules i principis d'aquest article es combinen amb el control dinàmic de paràmetres com Jw, k, Di i gel, es pot aconseguir el funcionament estable i eficient del sistema d'ultrafiltració.