Όπως είναι γνωστό, ένα φαινόμενο που ονομάζεται «πόλωση συγκέντρωσης» υπάρχει κατά τη λειτουργία των μεμβρανών νανοδιήθησης και αντίστροφης όσμωσης, που οδηγεί σε ρύπανση της μεμβράνης. Εφόσον η υπερδιήθηση δεν συγκεντρώνει τις διαλυμένες ουσίες, αλλά μόνο το φιλτράρισμα, το φαινόμενο της «πόλωσης συγκέντρωσης» δεν είναι σημαντικό κατά τη λειτουργία της μεμβράνης υπερδιήθησης. Ωστόσο, η υπερδιήθηση μπορεί να συγκρατήσει κολλοειδή, επομένως το φαινόμενο της «πόλωσης στρώματος γέλης» έχει σημαντικό αντίκτυπο στις μεμβράνες υπερδιήθησης. Αυτό το άρθρο μοιράζεται τις αρχές, τους τύπους και τη μηχανική σημασία της μεμβράνης υπερδιήθησης "πόλωση στρώματος γέλης" για επαγγελματίες επεξεργασίας νερού.
Ι. Έννοια της πόλωσης στρώματος γέλης
Κατά τη διάρκεια της υπερδιήθησης, όταν το νερό τροφοδοσίας περιέχει μεγάλη ποσότητα μακρομοριακών διαλυμένων ουσιών (όπως πρωτεΐνες, πολυσακχαρίτες, κολλοειδή σωματίδια κ.λπ.), αυτές οι ουσίες συσσωρεύονται στην επιφάνεια της μεμβράνης, σχηματίζοντας σταδιακά ένα συμπυκνωμένο στρώμα. Καθώς η διήθηση προχωρά, η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας μέσα στο συμπυκνωμένο στρώμα αυξάνεται, φτάνοντας τελικά τη διαλυτότητα κορεσμού της διαλυμένης ουσίας στο σύστημα, σχηματίζοντας έτσι ένα στρώμα γέλης στην επιφάνεια της μεμβράνης. Αφού σχηματιστεί το στρώμα γέλης, ακόμα κι αν η διαφορά πίεσης διαμεμβράνης (TMP) συνεχίσει να αυξάνεται, η ροή του διηθήματος δεν αυξάνεται πλέον σημαντικά. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται έλεγχος πόλωσης στρώματος γέλης. Καθώς η διαφορά πίεσης στη μεμβράνη αυξάνεται, ο ρυθμός ροής του διηθήματος αρχικά αυξάνεται και στη συνέχεια σταθεροποιείται.
II. Μαθηματικό μοντέλο και ανάλυση τύπου
1. Εξίσωση μεταφοράς πόλωσης στρώματος γέλης
Όταν η συγκέντρωση της διαλυμένης ουσίας στην επιφάνεια της μεμβράνης φτάσει σε κορεσμό, η διαδικασία μεταφοράς μάζας της διαλυμένης ουσίας κοντά στην επιφάνεια της μεμβράνης μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο:
Όπου: cm είναι η συγκέντρωση των μακρομορίων στην επιφάνεια της μεμβράνης. cp είναι η συγκέντρωση των μακρομορίων στο διήθημα. cb είναι η μέση συγκέντρωση μακρομορίων στο νερό τροφοδοσίας εντός του στοιχείου μεμβράνης. Το Jw είναι η ροή του διηθήματος. k είναι ο συντελεστής μεταφοράς μάζας στην επιφάνεια της μεμβράνης.
Αυτός ο τύπος αποκαλύπτει το μοτίβο της «συσσώρευσης» μακρομορίων στην επιφάνεια της μεμβράνης: (1) Η αύξηση της ταχύτητας εγκάρσιας ροής και η αύξηση του k μπορεί να μειώσει το πάχος του στρώματος πόλωσης γέλης. (2) Η μείωση της ροής λειτουργίας μπορεί να ελέγξει τη συγκέντρωση των μακρομορίων στην επιφάνεια της μεμβράνης κάτω από το σημείο γέλης.
2. Σχέση μεταξύ περιοριστικής ροής και μέγιστης συγκέντρωσης
Όταν η συγκέντρωση των μακρομορίων cm στην επιφάνεια της μεμβράνης φτάσει στο σημείο γέλης cg, το σύστημα εισέρχεται στην κατάσταση οριακής ροής. Αυτή τη στιγμή, ο τύπος μεταφοράς μάζας μπορεί να απλοποιηθεί στον ακόλουθο τύπο.
Αυτό σημαίνει ότι από τη στιγμή που οι συνθήκες λειτουργίας κάνουν τη συγκέντρωση της επιφάνειας της μεμβράνης να φτάσει σε cg, η περαιτέρω αύξηση της διαφοράς πίεσης διαμεμβρανικής δεν θα αυξάνει πλέον τη ροή.
Η μηχανική σημασία αυτού του τύπου είναι: (1) Στο σχεδιασμό της διαδικασίας, η περιοριστική ροή είναι μια βασική παράμετρος που καθορίζει την περιοχή της μεμβράνης και την κατανάλωση ενέργειας. (2) Η σταθερή λειτουργία του συστήματος υπερδιήθησης θα πρέπει να αποφεύγει τη μακροπρόθεσμη-λειτουργία στην περιοχή περιορισμού ροής.
3. Επιφανειακή πίεση μεμβράνης και αντίσταση στρώσης γέλης
Η παρουσία του στρώματος γέλης όχι μόνο επηρεάζει τη μεταφορά μάζας αλλά επίσης αυξάνει σημαντικά την αντίσταση στη διήθηση. Η μαθηματική του έκφραση φαίνεται παρακάτω.
Όπου: ki,gel είναι ο συντελεστής αντίστασης του στρώματος γέλης στη μακρομοριακή ουσία i; Δl είναι το πάχος του στρώματος γέλης. Το Di,gel είναι ο συντελεστής διάχυσης μέσα στο στρώμα γέλης.
Αυτό υποδεικνύει ότι όταν το στρώμα γέλης γίνει παχύτερο (το Δl αυξάνεται) ή η διάχυση εντός του στρώματος γέλης επιβραδύνεται (το Di,gel μειώνεται), ο συντελεστής μεταφοράς μάζας ki,gel θα μειωθεί σημαντικά.
Στον μηχανολογικό σχεδιασμό: (1) Η αύξηση του Δl μπορεί να ελεγχθεί αυξάνοντας τη δύναμη διάτμησης διασταύρωσης-ροής, μειώνοντας τη συγκέντρωση του διαλύματος ή αυξάνοντας τη συχνότητα αντίστροφης πλύσης. (2) Η μείωση του ιξώδους εισροής αυξάνει το Di,gel. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του νερού, τόσο χαμηλότερο είναι το ιξώδες. III.
III. Συγκέντρωση επιφανείας μεμβράνης Κατανομή και σημασία σχεδιασμού
Τα μακρομόρια έχουν σχετικά χαμηλές συγκεντρώσεις πιο μακριά από τη μεμβράνη, αλλά οι συγκεντρώσεις τους αυξάνονται γρήγορα κοντά στη μεμβράνη, τείνοντας προς τον κορεσμό μέσα στο στρώμα της γέλης. Το αντίστοιχο μαθηματικό μοντέλο φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση:
Όπου: ki είναι ο συντελεστής μεταφοράς μάζας υγρής μεμβράνης. ε είναι το πορώδες του στρώματος γέλης.
Αυτή η φόρμουλα λαμβάνει πλήρως υπόψη την αντίσταση μεταφοράς μάζας της υγρής μεμβράνης και την αντίσταση διάχυσης του στρώματος γέλης. Όταν η περιεκτικότητα σε πολυμερές στο διάλυμα είναι υψηλή ή το στρώμα γέλης είναι παχύ, η αντίσταση διάχυσης αυξάνεται σημαντικά, καθιστώντας ευκολότερο την πρόωρη επίτευξη της οριακής κατάστασης ροής.
Περίληψη
Η πόλωση του στρώματος γέλης είναι ένα από τα πιο τυπικά λειτουργικά σημεία συμφόρησης στις διαδικασίες υπερδιήθησης. Μέσω της ανάλυσης σε αυτό το άρθρο, μπορούμε να δούμε ότι δεν είναι απλώς ένα πρόβλημα «ρυπαντικής» αλλά μάλλον το αποτέλεσμα των συνδυασμένων επιπτώσεων της μεταφοράς μάζας, της διάχυσης και των συνθηκών λειτουργίας. Ο μαθηματικός τύπος αποκαλύπτει την εγγενή σχέση μεταξύ συγκέντρωσης, ροής και αντίστασης μεταφοράς μάζας. Ο σχεδιασμός της διαδικασίας και η λειτουργική βελτιστοποίηση μπορούν να ελέγξουν την πόλωση του στρώματος γέλης σε κάποιο βαθμό. για τα πολυμερή συστήματα, η ορθολογική επιλογή των συνθηκών λειτουργίας είναι το κλειδί για τη διασφάλιση της αποτελεσματικότητας της υπερδιήθησης. Στην πρακτική μηχανική, εάν οι τύποι και οι αρχές σε αυτό το άρθρο συνδυάζονται με δυναμική παρακολούθηση παραμέτρων όπως Jw, k, Di και gel, μπορεί να επιτευχθεί η σταθερή και αποτελεσματική λειτουργία του συστήματος υπερδιήθησης.
