Como es bien sabido, existe un fenómeno llamado "polarización de concentración" durante el funcionamiento de las membranas de nanofiltración y ósmosis inversa, que conduce a la contaminación de la membrana. Dado que la ultrafiltración no concentra solutos, sólo filtra, el fenómeno de "polarización de la concentración" no es significativo durante el funcionamiento de la membrana de ultrafiltración. Sin embargo, la ultrafiltración puede retener coloides, por lo que el fenómeno de "polarización de la capa de gel" tiene un impacto significativo en las membranas de ultrafiltración. Este artículo comparte los principios, las fórmulas y la importancia de ingeniería de la "polarización de la capa de gel" de la membrana de ultrafiltración para los profesionales del tratamiento de agua.
I. Concepto de polarización de la capa de gel
Durante la ultrafiltración, cuando el agua de alimentación contiene una gran cantidad de solutos macromoleculares (como proteínas, polisacáridos, partículas coloidales, etc.), estas sustancias se acumulan en la superficie de la membrana, formando gradualmente una capa concentrada. A medida que avanza la filtración, la concentración del soluto dentro de la capa concentrada aumenta, alcanzando eventualmente la solubilidad de saturación del soluto en el sistema, formando así una capa de gel en la superficie de la membrana. Después de que se forma la capa de gel, incluso si la diferencia de presión transmembrana (TMP) continúa aumentando, el flujo de permeado ya no aumenta significativamente. Este proceso se llama control de polarización de la capa de gel. A medida que aumenta la diferencia de presión de la membrana, el caudal de permeado inicialmente aumenta y luego se estabiliza.
II. Análisis de fórmulas y modelos matemáticos
1. Ecuación de transferencia de polarización de la capa de gel
Cuando la concentración de soluto en la superficie de la membrana alcanza la saturación, el proceso de transferencia de masa del soluto cerca de la superficie de la membrana se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Donde: cm es la concentración de macromoléculas en la superficie de la membrana; cp es la concentración de macromoléculas en el permeado; cb es la concentración promedio de macromoléculas en el agua de alimentación dentro del elemento de membrana; Jw es el flujo de permeado; k es el coeficiente de transferencia de masa en la superficie de la membrana.
Esta fórmula revela el patrón de "acumulación" de macromoléculas en la superficie de la membrana: (1) Aumentar la velocidad del flujo cruzado y aumentar k puede reducir el espesor de la capa de polarización del gel; (2) La reducción del flujo operativo puede controlar la concentración de macromoléculas en la superficie de la membrana debajo del punto de gelificación.
2. Relación entre flujo limitante y concentración máxima
Cuando la concentración de macromoléculas cm en la superficie de la membrana alcanza el punto de gelificación cg, el sistema entra en el estado de flujo límite. En este momento, la fórmula de transferencia de masa se puede simplificar a la siguiente fórmula.
Esto significa que una vez que las condiciones operativas hacen que la concentración en la superficie de la membrana alcance cg, aumentar aún más la diferencia de presión transmembrana ya no aumentará el flujo.
La importancia de ingeniería de esta fórmula es: (1) En el diseño de procesos, el flujo límite es un parámetro clave que determina el área de la membrana y el consumo de energía; (2) El funcionamiento estable del sistema de ultrafiltración debe evitar el funcionamiento a largo plazo-en la región de flujo límite.
3. Presión de la superficie de la membrana y resistencia de la capa de gel
La presencia de la capa de gel no sólo afecta la transferencia de masa sino que también aumenta significativamente la resistencia a la filtración. Su expresión matemática se muestra a continuación.
Donde: ki,gel es el coeficiente de resistencia de la capa de gel a la sustancia macromolecular i; Δl es el espesor de la capa de gel; Di,gel es el coeficiente de difusión dentro de la capa de gel.
Esto indica que cuando la capa de gel se vuelve más gruesa (Δl aumenta) o la difusión dentro de la capa de gel se ralentiza (Di,gel disminuye), el coeficiente de transferencia de masa ki,gel disminuirá significativamente.
En diseño de ingeniería: (1) El aumento de Δl se puede controlar aumentando la fuerza de corte del flujo cruzado, reduciendo la concentración de la solución o aumentando la frecuencia de retrolavado; (2) La reducción de la viscosidad del afluente aumenta el Di,gel; cuanto mayor es la temperatura del agua, menor es la viscosidad. III.
III. Distribución de concentración de superficie de membrana e importancia del diseño
Las macromoléculas tienen concentraciones relativamente bajas más lejos de la membrana, pero sus concentraciones aumentan rápidamente cerca de la membrana, tendiendo a la saturación dentro de la capa de gel. El modelo matemático correspondiente se muestra en la siguiente ecuación:
Donde: ki es el coeficiente de transferencia de masa de la membrana líquida; ε es la porosidad de la capa de gel.
Esta fórmula considera de manera integral la resistencia a la transferencia de masa de la membrana líquida y la resistencia a la difusión de la capa de gel. Cuando el contenido de polímero en la solución es alto o la capa de gel es espesa, la resistencia a la difusión aumenta significativamente, lo que facilita alcanzar prematuramente el estado límite de flujo.
Resumen
La polarización de la capa de gel es uno de los cuellos de botella operativos más típicos en los procesos de ultrafiltración. A través del análisis de este artículo, podemos ver que no se trata simplemente de un problema de "incrustación", sino más bien del resultado de los efectos combinados de la transferencia de masa, la difusión y las condiciones operativas. La fórmula matemática revela la relación intrínseca entre concentración, flujo y resistencia a la transferencia de masa; el diseño del proceso y la optimización operativa pueden controlar la polarización de la capa de gel hasta cierto punto; Para los sistemas poliméricos, la selección racional de las condiciones operativas es clave para garantizar la eficiencia de la ultrafiltración. En ingeniería práctica, si las fórmulas y principios de este documento se combinan con el monitoreo dinámico de parámetros como Jw, k, Di y gel, se puede lograr el funcionamiento estable y eficiente del sistema de ultrafiltración.
