Zoals algemeen bekend is, bestaat er tijdens de werking van nanofiltratie- en omgekeerde osmosemembranen een fenomeen dat "concentratiepolarisatie" wordt genoemd, wat leidt tot membraanvervuiling. Omdat ultrafiltratie geen opgeloste stoffen concentreert, maar alleen filtert, is het fenomeen "concentratiepolarisatie" niet significant tijdens de werking van het ultrafiltratiemembraan. Ultrafiltratie kan echter colloïden vasthouden, dus het fenomeen "gellaagpolarisatie" heeft een aanzienlijke impact op ultrafiltratiemembranen. Dit artikel deelt de principes, formules en technische betekenis van ultrafiltratiemembraan "gellaagpolarisatie" voor professionals in de waterbehandeling.
I. Concept van gellaagpolarisatie
Tijdens ultrafiltratie, wanneer het voedingswater een grote hoeveelheid macromoleculaire opgeloste stoffen bevat (zoals eiwitten, polysachariden, colloïdale deeltjes, enz.), hopen deze stoffen zich op op het membraanoppervlak en vormen geleidelijk een geconcentreerde laag. Naarmate de filtratie vordert, neemt de concentratie opgeloste stoffen in de geconcentreerde laag toe, waardoor uiteindelijk de verzadigingsoplosbaarheid van de opgeloste stof in het systeem wordt bereikt, waardoor een gellaag op het membraanoppervlak wordt gevormd. Nadat de gellaag is gevormd, neemt de permeaatflux niet langer significant toe, zelfs als het transmembraandrukverschil (TMP) blijft toenemen. Dit proces wordt gellaagpolarisatiecontrole genoemd. Naarmate het membraandrukverschil toeneemt, stijgt de permeaatstroomsnelheid aanvankelijk en stabiliseert zich vervolgens.
II. Wiskundig model en formuleanalyse
1. Overdrachtvergelijking van gellaagpolarisatie
Wanneer de concentratie opgeloste stoffen op het membraanoppervlak verzadiging bereikt, kan het massaoverdrachtsproces van de opgeloste stof nabij het membraanoppervlak worden berekend met behulp van de volgende formule:
Waarbij: cm de concentratie van macromoleculen op het membraanoppervlak is; cp is de concentratie van macromoleculen in het permeaat; cb is de gemiddelde concentratie macromoleculen in het voedingswater in het membraanelement; Jw is de permeaatflux; k is de massaoverdrachtscoëfficiënt op het membraanoppervlak.
Deze formule onthult het patroon van de "accumulatie" van macromoleculen op het membraanoppervlak: (1) Het verhogen van de dwarsstroomsnelheid en het vergroten van k kunnen de dikte van de gelpolarisatielaag verminderen; (2) Het verminderen van de operationele flux kan de concentratie van macromoleculen op het membraanoppervlak onder het gelpunt regelen.
2. Relatie tussen beperkende flux en maximale concentratie
Wanneer de concentratie van macromoleculen cm op het membraanoppervlak het gelpunt cg bereikt, komt het systeem in de beperkende fluxtoestand terecht. Op dit moment kan de massaoverdrachtsformule worden vereenvoudigd tot de volgende formule.
Dit betekent dat zodra de bedrijfsomstandigheden ervoor zorgen dat de membraanoppervlakteconcentratie cg bereikt, het verder vergroten van het transmembraandrukverschil de flux niet langer zal vergroten.
De technische betekenis van deze formule is: (1) Bij procesontwerp is de beperkende flux een sleutelparameter die het membraanoppervlak en het energieverbruik bepaalt; (2) Een stabiele werking van het ultrafiltratiesysteem moet langdurige werking in het beperkende fluxgebied vermijden.
3. Oppervlaktedruk van het membraan en weerstand van de gellaag
De aanwezigheid van de gellaag beïnvloedt niet alleen de massaoverdracht, maar verhoogt ook aanzienlijk de filtratieweerstand. De wiskundige uitdrukking ervan wordt hieronder weergegeven.
Waarbij: ki,gel de weerstandscoëfficiënt is van de gellaag tegen macromoleculaire stof i; Δl is de dikte van de gellaag; Di,gel is de diffusiecoëfficiënt binnen de gellaag.
Dit geeft aan dat wanneer de gellaag dikker wordt (Al neemt toe) of de diffusie binnen de gellaag vertraagt (Di,gel neemt af), de massaoverdrachtscoëfficiënt ki,gel aanzienlijk zal afnemen.
Bij technisch ontwerp: (1) kan de toename van Δl worden gecontroleerd door de dwars-stroomschuifkracht te vergroten, de oplossingsconcentratie te verlagen of de terugspoelfrequentie te verhogen; (2) Het verlagen van de viscositeit van het influent verhoogt Di,gel; hoe hoger de watertemperatuur, hoe lager de viscositeit. III.
III. Membraanoppervlakteconcentratieverdeling en ontwerpbetekenis
Macromoleculen hebben relatief lage concentraties verder weg van het membraan, maar hun concentraties nemen snel toe nabij het membraan, waardoor ze neigen naar verzadiging binnen de gellaag. Het overeenkomstige wiskundige model wordt weergegeven in de volgende vergelijking:
Waarbij: ki de massaoverdrachtscoëfficiënt van het vloeibare membraan is; ε is de porositeit van de gellaag.
Deze formule houdt uitgebreid rekening met de massaoverdrachtsweerstand van het vloeibare membraan en de diffusieweerstand van de gellaag. Wanneer het polymeergehalte in de oplossing hoog is of de gellaag dik is, neemt de diffusieweerstand aanzienlijk toe, waardoor het gemakkelijker wordt om voortijdig de beperkende fluxtoestand te bereiken.
Samenvatting
Polarisatie van de gellaag is een van de meest typische operationele knelpunten bij ultrafiltratieprocessen. Door de analyse in dit artikel kunnen we zien dat het niet slechts een ‘vervuilingsprobleem’ is, maar eerder het resultaat van de gecombineerde effecten van massaoverdracht, diffusie en bedrijfsomstandigheden. De wiskundige formule onthult de intrinsieke relatie tussen concentratie, flux en weerstand tegen massaoverdracht; procesontwerp en operationele optimalisatie kunnen de polarisatie van de gellaag tot op zekere hoogte beheersen; voor polymeersystemen is de rationele selectie van bedrijfsomstandigheden van cruciaal belang om de efficiëntie van ultrafiltratie te garanderen. Als de formules en principes in dit artikel in de praktijk worden gecombineerd met dynamische monitoring van parameters zoals Jw, k, Di en gel, kan de stabiele en efficiënte werking van het ultrafiltratiesysteem worden bereikt.