Bekanntlich kommt es beim Betrieb von Nanofiltrations- und Umkehrosmosemembranen zu einem Phänomen namens „Konzentrationspolarisation“, das zur Membranverschmutzung führt. Da bei der Ultrafiltration gelöste Stoffe nicht konzentriert, sondern nur gefiltert werden, ist das Phänomen der „Konzentrationspolarisation“ während des Betriebs der Ultrafiltrationsmembran nicht von Bedeutung. Bei der Ultrafiltration können jedoch Kolloide zurückgehalten werden, sodass das Phänomen der „Gelschichtpolarisation“ erhebliche Auswirkungen auf Ultrafiltrationsmembranen hat. In diesem Artikel werden die Prinzipien, Formeln und technischen Bedeutung der „Gelschichtpolarisation“ von Ultrafiltrationsmembranen für Wasseraufbereitungsfachleute erläutert.
I. Konzept der Gelschichtpolarisation
Wenn das Speisewasser während der Ultrafiltration eine große Menge makromolekularer gelöster Stoffe (wie Proteine, Polysaccharide, kolloidale Partikel usw.) enthält, reichern sich diese Substanzen auf der Membranoberfläche an und bilden nach und nach eine konzentrierte Schicht. Mit fortschreitender Filtration steigt die Konzentration des gelösten Stoffes in der konzentrierten Schicht und erreicht schließlich die Sättigungslöslichkeit des gelösten Stoffes im System, wodurch sich eine Gelschicht auf der Membranoberfläche bildet. Nachdem sich die Gelschicht gebildet hat, steigt der Permeatfluss nicht mehr signifikant an, selbst wenn die Transmembrandruckdifferenz (TMP) weiter zunimmt. Dieser Vorgang wird als Gelschicht-Polarisationskontrolle bezeichnet. Mit zunehmender Membrandruckdifferenz steigt die Permeatflussrate zunächst an und stabilisiert sich dann.
II. Mathematische Modell- und Formelanalyse
1. Übertragungsgleichung der Gelschichtpolarisation
Wenn die Konzentration des gelösten Stoffes auf der Membranoberfläche die Sättigung erreicht, kann der Stofftransportprozess des gelösten Stoffes in der Nähe der Membranoberfläche mit der folgenden Formel berechnet werden:
Wobei: cm die Konzentration von Makromolekülen auf der Membranoberfläche ist; cp ist die Konzentration der Makromoleküle im Permeat; cb ist die durchschnittliche Konzentration von Makromolekülen im Speisewasser innerhalb des Membranelements; Jw ist der Permeatfluss; k ist der Stoffübergangskoeffizient auf der Membranoberfläche.
Diese Formel zeigt das Muster der „Ansammlung“ von Makromolekülen auf der Membranoberfläche: (1) Durch Erhöhen der Querströmungsgeschwindigkeit und Erhöhen von k kann die Dicke der Gelpolarisationsschicht verringert werden. (2) Durch die Reduzierung des Betriebsflusses kann die Konzentration von Makromolekülen auf der Membranoberfläche unterhalb des Gelpunkts gesteuert werden.
2. Zusammenhang zwischen Grenzfluss und maximaler Konzentration
Wenn die Konzentration der Makromoleküle cm auf der Membranoberfläche den Gelpunkt cg erreicht, tritt das System in den Grenzflusszustand ein. Zu diesem Zeitpunkt kann die Massentransferformel auf die folgende Formel vereinfacht werden.
Dies bedeutet, dass, sobald die Betriebsbedingungen dazu führen, dass die Membranoberflächenkonzentration cg erreicht, eine weitere Erhöhung der transmembranen Druckdifferenz den Fluss nicht mehr erhöht.
Die technische Bedeutung dieser Formel ist: (1) Beim Prozessdesign ist der Grenzfluss ein Schlüsselparameter, der die Membranfläche und den Energieverbrauch bestimmt; (2) Ein stabiler Betrieb des Ultrafiltrationssystems sollte einen Langzeitbetrieb im Grenzflussbereich vermeiden.
3. Membranoberflächendruck und Gelschichtwiderstand
Das Vorhandensein der Gelschicht beeinflusst nicht nur den Stofftransport, sondern erhöht auch den Filtrationswiderstand deutlich. Sein mathematischer Ausdruck ist unten dargestellt.
Dabei ist: ki,gel der Widerstandskoeffizient der Gelschicht gegenüber der makromolekularen Substanz i; Δl ist die Dicke der Gelschicht; Di,gel ist der Diffusionskoeffizient innerhalb der Gelschicht.
Dies weist darauf hin, dass, wenn die Gelschicht dicker wird (Δl steigt) oder die Diffusion innerhalb der Gelschicht langsamer wird (Di,gel abnimmt), der Stoffübergangskoeffizient ki,gel deutlich abnimmt.
Im technischen Design: (1) Der Anstieg von Δl kann durch Erhöhen der Querstrom-Scherkraft, Verringern der Lösungskonzentration oder Erhöhen der Rückspülfrequenz gesteuert werden; (2) Eine Verringerung der Zuflussviskosität erhöht Di,gel; Je höher die Wassertemperatur, desto geringer die Viskosität. III.
III. Verteilung der Membranoberflächenkonzentration und Designbedeutung
Makromoleküle haben weiter entfernt von der Membran relativ geringe Konzentrationen, in der Nähe der Membran steigen ihre Konzentrationen jedoch schnell an, was zu einer Sättigung innerhalb der Gelschicht führt. Das entsprechende mathematische Modell ist in der folgenden Gleichung dargestellt:
Dabei ist: ki der Stoffübergangskoeffizient der Flüssigkeitsmembran; ε ist die Porosität der Gelschicht.
Diese Formel berücksichtigt umfassend den Stofftransportwiderstand der Flüssigkeitsmembran und den Diffusionswiderstand der Gelschicht. Wenn der Polymergehalt in der Lösung hoch ist oder die Gelschicht dick ist, erhöht sich der Diffusionswiderstand deutlich, wodurch es einfacher wird, den Grenzflusszustand vorzeitig zu erreichen.
Zusammenfassung
Die Polarisation der Gelschicht ist einer der häufigsten betrieblichen Engpässe bei Ultrafiltrationsprozessen. Durch die Analyse in diesem Artikel können wir erkennen, dass es sich nicht nur um ein „Fouling“-Problem handelt, sondern vielmehr um das Ergebnis der kombinierten Effekte von Stofftransfer, Diffusion und Betriebsbedingungen. Die mathematische Formel offenbart die intrinsische Beziehung zwischen Konzentration, Fluss und Stoffübergangswiderstand; Prozessdesign und Betriebsoptimierung können die Polarisation der Gelschicht bis zu einem gewissen Grad steuern; Bei Polymersystemen ist die rationelle Auswahl der Betriebsbedingungen der Schlüssel zur Gewährleistung der Ultrafiltrationseffizienz. Wenn in der praktischen Technik die Formeln und Prinzipien in diesem Artikel mit der dynamischen Überwachung von Parametern wie Jw, k, Di und Gel kombiniert werden, kann ein stabiler und effizienter Betrieb des Ultrafiltrationssystems erreicht werden.
