เมมเบรนกรองอัลตร้า 'โพลาไรซ์ชั้นเจล': หลักการ สูตร และความสำคัญทางวิศวกรรม

ดังที่ทราบกันดีว่า มีปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "โพลาไรเซชันความเข้มข้น" เกิดขึ้นในระหว่างการทำงานของเมมเบรนกรองนาโนและรีเวิร์สออสโมซิส ซึ่งนำไปสู่การเปรอะเปื้อนของเมมเบรน เนื่องจากการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันไม่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลาย แต่จะกรองเพียงอย่างเดียว ปรากฏการณ์ "โพลาไรเซชันความเข้มข้น" จึงไม่มีนัยสำคัญในระหว่างการทำงานของเมมเบรนแบบอัลตราฟิลเตรชัน อย่างไรก็ตาม การกรองแบบอัลตราฟิลเตรชันสามารถกักเก็บคอลลอยด์ได้ ดังนั้นปรากฏการณ์ "โพลาไรเซชันของชั้นเจล" จึงมีผลกระทบอย่างมากต่อเมมเบรนแบบอัลตราฟิลเตรชัน บทความนี้แบ่งปันหลักการ สูตร และความสำคัญทางวิศวกรรมของเมมเบรนอัลตราฟิลเตรชัน "โพลาไรซ์ชั้นเจล" สำหรับผู้เชี่ยวชาญด้านการบำบัดน้ำ

ในระหว่างการกรองแบบอัลตราฟิลเตรชัน เมื่อน้ำป้อนมีตัวถูกละลายโมเลกุลขนาดใหญ่จำนวนมาก (เช่น โปรตีน โพลีแซ็กคาไรด์ อนุภาคคอลลอยด์ ฯลฯ) สารเหล่านี้จะสะสมอยู่บนพื้นผิวเมมเบรน และค่อยๆ ก่อตัวเป็นชั้นที่มีความเข้มข้น เมื่อการกรองดำเนินไป ความเข้มข้นของตัวถูกละลายภายในชั้นที่มีความเข้มข้นจะเพิ่มขึ้น ในที่สุดก็ถึงความสามารถในการละลายความอิ่มตัวของตัวถูกละลายในระบบ ซึ่งทำให้เกิดชั้นเจลบนพื้นผิวเมมเบรน หลังจากที่ชั้นเจลก่อตัวขึ้น แม้ว่าความแตกต่างของความดันเมมเบรน (TMP) ยังคงเพิ่มขึ้น แต่ฟลักซ์ของเพอร์มิเอตจะไม่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญอีกต่อไป กระบวนการนี้เรียกว่าการควบคุมโพลาไรเซชันของชั้นเจล เมื่อความแตกต่างของความดันเมมเบรนเพิ่มขึ้น อัตราการไหลของเพอมิเอตจะเพิ่มขึ้นในตอนแรกและจากนั้นจะคงที่

1. ถ่ายโอนสมการของโพลาไรเซชันของชั้นเจล
เมื่อความเข้มข้นของตัวถูกละลายบนพื้นผิวเมมเบรนถึงความอิ่มตัว กระบวนการถ่ายโอนมวลของตัวถูกละลายใกล้กับพื้นผิวเมมเบรนสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้:

โดยที่ cm คือความเข้มข้นของโมเลกุลขนาดใหญ่บนพื้นผิวเมมเบรน cp คือความเข้มข้นของโมเลกุลขนาดใหญ่ในเพอมิเอต cb คือความเข้มข้นเฉลี่ยของโมเลกุลขนาดใหญ่ในน้ำป้อนภายในองค์ประกอบเมมเบรน Jw คือฟลักซ์ของเพอมิเอต k คือสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลบนพื้นผิวเมมเบรน

สูตรนี้เผยให้เห็นรูปแบบของ "การสะสม" ของโมเลกุลขนาดใหญ่บนพื้นผิวเมมเบรน: (1) การเพิ่มความเร็วของการไหลข้ามและการเพิ่ม k สามารถลดความหนาของชั้นโพลาไรเซชันของเจลได้ (2) การลดฟลักซ์การทำงานสามารถควบคุมความเข้มข้นของโมเลกุลขนาดใหญ่บนพื้นผิวเมมเบรนที่อยู่ใต้จุดเจล

2. ความสัมพันธ์ระหว่างการจำกัดฟลักซ์และความเข้มข้นสูงสุด
เมื่อความเข้มข้นของโมเลกุลขนาดใหญ่ cm บนพื้นผิวเมมเบรนถึงจุดเจล cg ระบบจะเข้าสู่สถานะฟลักซ์จำกัด ในขณะนี้ สูตรการถ่ายโอนมวลสามารถลดความซับซ้อนลงเป็นสูตรต่อไปนี้

ซึ่งหมายความว่าเมื่อสภาวะการทำงานทำให้ความเข้มข้นของพื้นผิวเมมเบรนถึง cg การเพิ่มความแตกต่างของแรงดันเมมเบรนอีกจะไม่เพิ่มฟลักซ์อีกต่อไป

ความสำคัญทางวิศวกรรมของสูตรนี้คือ: (1) ในการออกแบบกระบวนการ ฟลักซ์จำกัดเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่กำหนดพื้นที่เมมเบรนและการใช้พลังงาน (2) การทำงานที่เสถียรของระบบอัลตราฟิลเตรชั่นควรหลีกเลี่ยงการทำงานระยะยาว-ในบริเวณฟลักซ์ที่จำกัด

3. ความดันพื้นผิวเมมเบรนและความต้านทานของชั้นเจล

การมีอยู่ของชั้นเจลไม่เพียงส่งผลต่อการถ่ายโอนมวลเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความต้านทานการกรองอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย นิพจน์ทางคณิตศาสตร์ของมันแสดงไว้ด้านล่าง

โดยที่: ki,gel คือค่าสัมประสิทธิ์ความต้านทานของชั้นเจลต่อสารโมเลกุลขนาดใหญ่ i; Δl คือความหนาของชั้นเจล Di,gel คือค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายภายในชั้นเจล

สิ่งนี้บ่งชี้ว่าเมื่อชั้นเจลหนาขึ้น (Δl เพิ่มขึ้น) หรือการแพร่กระจายภายในชั้นเจลช้าลง (ได,เจลลดลง) ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวล ki,เจลจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ

ในการออกแบบทางวิศวกรรม: (1) การเพิ่มขึ้นของ Δl สามารถควบคุมได้โดยการเพิ่มแรงเฉือนไหลข้าม- ลดความเข้มข้นของสารละลาย หรือเพิ่มความถี่การชะล้างย้อนกลับ; (2) การลดความหนืดที่มีอิทธิพลจะเพิ่ม Di, gel; ยิ่งอุณหภูมิของน้ำสูง ความหนืดก็จะยิ่งต่ำลง ที่สาม

โมเลกุลขนาดใหญ่มีความเข้มข้นค่อนข้างต่ำเมื่ออยู่ห่างจากเมมเบรน แต่ความเข้มข้นของพวกมันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วใกล้กับเมมเบรน โดยมีแนวโน้มไปสู่ความอิ่มตัวภายในชั้นเจล แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องจะแสดงอยู่ในสมการต่อไปนี้:

โดยที่: ki คือสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลเมมเบรนของเหลว ε คือความพรุนของชั้นเจล

สูตรนี้พิจารณาความต้านทานการถ่ายโอนมวลเมมเบรนของเหลวและความต้านทานการแพร่กระจายของชั้นเจลอย่างครอบคลุม เมื่อปริมาณโพลีเมอร์ในสารละลายสูงหรือชั้นเจลหนา ความต้านทานการแพร่กระจายจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้ง่ายต่อการเข้าถึงสถานะฟลักซ์จำกัดก่อนเวลาอันควร

สรุป

โพลาไรเซชันของชั้นเจลเป็นหนึ่งในปัญหาคอขวดในการดำเนินงานโดยทั่วไปมากที่สุดในกระบวนการอัลตราฟิลเตรชัน จากการวิเคราะห์ในบทความนี้ เราจะเห็นได้ว่ามันไม่ได้เป็นเพียงปัญหา "ความเปรอะเปื้อน" เท่านั้น แต่ยังเป็นผลมาจากผลรวมของการถ่ายโอนมวล การแพร่กระจาย และสภาวะการทำงาน สูตรทางคณิตศาสตร์เผยให้เห็นความสัมพันธ์ภายในระหว่างความเข้มข้น ฟลักซ์ และความต้านทานการถ่ายโอนมวล การออกแบบกระบวนการและการเพิ่มประสิทธิภาพการปฏิบัติงานสามารถควบคุมโพลาไรเซชันของชั้นเจลได้ในระดับหนึ่ง สำหรับระบบโพลีเมอร์ การเลือกสภาวะการทำงานอย่างมีเหตุผลเป็นกุญแจสำคัญในการรับรองประสิทธิภาพการกรองแบบอัลตราไวโอเลต ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ หากสูตรและหลักการในบทความนี้ถูกรวมเข้ากับการตรวจสอบพารามิเตอร์แบบไดนามิก เช่น Jw, k, Di และเจล การทำงานของระบบอัลตราฟิลเตรชันจะมีเสถียรภาพและมีประสิทธิภาพ