Ma'lumki, nanofiltratsiya va teskari osmos membranalarining ishlashi jarayonida "konsentratsiyali polarizatsiya" deb ataladigan hodisa mavjud bo'lib, bu membrananing ifloslanishiga olib keladi. Ultrafiltratsiya erigan moddalarni konsentratlashtirmaganligi sababli, faqat filtrlash, ultrafiltratsiya membranasining ishlashi paytida "konsentratsiyaning polarizatsiyasi" hodisasi ahamiyatli emas. Biroq, ultrafiltratsiya kolloidlarni saqlab qolishi mumkin, shuning uchun "gel qatlamining polarizatsiyasi" fenomeni ultrafiltratsiya membranalariga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Ushbu maqolada suvni tozalash bo'yicha mutaxassislar uchun ultrafiltratsiya membranasining "gel qatlamining polarizatsiyasi" tamoyillari, formulalari va muhandislik ahamiyati keltirilgan.
I. Jel qatlamining polarizatsiyasi haqida tushuncha
Ultrafiltratsiya jarayonida ozuqa suvi tarkibida ko'p miqdorda makromolekulyar eritmalar (oqsillar, polisaxaridlar, kolloid zarralar va boshqalar) bo'lsa, bu moddalar membrana yuzasida to'planib, asta-sekin konsentrlangan qatlam hosil qiladi. Filtrlash jarayoni davom etar ekan, konsentrlangan qatlam ichidagi erigan moddaning kontsentratsiyasi oshib, oxir-oqibat tizimdagi erigan moddaning to'yingan eruvchanligiga erishadi va shu bilan membrana yuzasida jel qatlami hosil bo'ladi. Jel qatlami hosil bo'lgandan so'ng, transmembran bosim farqi (TMP) o'sishda davom etsa ham, o'tkazuvchanlik oqimi endi sezilarli darajada oshmaydi. Ushbu jarayon jel qatlamining polarizatsiyasini nazorat qilish deb ataladi. Membrananing bosimi farqi ortib borishi bilan, o'tkazuvchan oqim tezligi dastlab ko'tariladi va keyin barqarorlashadi.
II. Matematik model va formulalar tahlili
1. Jel qatlami polarizatsiyasining uzatish tenglamasi
Membrananing yuzasida erigan moddaning kontsentratsiyasi to'yinganlik darajasiga yetganda, erigan moddaning membrana yuzasi yaqinidagi massa o'tkazish jarayonini quyidagi formula yordamida hisoblash mumkin:
Bu yerda: sm - membrana yuzasida makromolekulalar konsentratsiyasi; cp - permeatdagi makromolekulalar kontsentratsiyasi; cb - membrana elementi ichidagi ozuqa suvidagi makromolekulalarning o'rtacha konsentratsiyasi; Jw - o'tkazuvchanlik oqimi; k - membrana yuzasida massa uzatish koeffitsienti.
Ushbu formula membrana yuzasida makromolekulaning "to'planishi" naqshini ochib beradi: (1) o'zaro oqim tezligini oshirish va k ni oshirish gel polarizatsiya qatlamining qalinligini kamaytirishi mumkin; (2) Operatsion oqimni kamaytirish jel nuqtasi ostidagi membrana yuzasida makromolekulalar kontsentratsiyasini nazorat qilishi mumkin.
2. Cheklovchi oqim va maksimal konsentratsiya o'rtasidagi bog'liqlik
Makromolekulalar konsentratsiyasi sm membrana yuzasida gel nuqtasi cg ga yetganda, sistema chegaralovchi oqim holatiga kiradi. Bu vaqtda massa uzatish formulasini quyidagi formulaga soddalashtirish mumkin.
Bu shuni anglatadiki, ish sharoitlari membrana sirtining konsentratsiyasi cg ga yetgandan so'ng, transmembran bosim farqini yanada oshirish oqimni ko'paytirmaydi.
Ushbu formulaning muhandislik ahamiyati quyidagilardan iborat: (1) jarayonni loyihalashda cheklovchi oqim membrana maydoni va energiya sarfini aniqlaydigan asosiy parametrdir; (2) Ultrafiltratsiya tizimining barqaror ishlashi cheklovchi oqim hududida uzoq{2}}muddatli ishlamasligi kerak.
3. Membrananing sirt bosimi va jel qatlamining qarshiligi
Jel qatlamining mavjudligi nafaqat massa o'tkazuvchanligiga ta'sir qiladi, balki filtrlash qarshiligini sezilarli darajada oshiradi. Uning matematik ifodasi quyida ko'rsatilgan.
Bu yerda: ki,gel gel qatlamining i makromolekulyar moddaga qarshilik koeffitsienti; Dl - gel qatlamining qalinligi; Di,gel - gel qatlami ichidagi diffuziya koeffitsienti.
Bu shuni ko'rsatadiki, jel qatlami qalinlashganda (Dl ortib boradi) yoki gel qatlami ichidagi diffuziya sekinlashganda (Di,gel kamayadi), massa uzatish koeffitsienti ki,gel sezilarli darajada kamayadi.
Muhandislik loyihalashda: (1) Dl ning o'sishini oqimning kesishish kuchini oshirish, eritma konsentratsiyasini kamaytirish yoki teskari yuvish chastotasini oshirish orqali boshqarish mumkin; (2) ta'sir etuvchi viskoziteni kamaytirish Di, gelni oshiradi; suv harorati qanchalik baland bo'lsa, viskozite shunchalik past bo'ladi. III.
III. Membrananing sirt kontsentratsiyasining taqsimlanishi va dizayn ahamiyati
Makromolekulalar membranadan uzoqroqda nisbatan past konsentratsiyaga ega, ammo ularning konsentratsiyasi membrana yaqinida tez ortib, jel qatlami ichida to'yinganlikka intiladi. Tegishli matematik model quyidagi tenglamada ko'rsatilgan:
Bu erda: ki - suyuqlik membranasining massa o'tkazish koeffitsienti; e - gel qatlamining g'ovakligi.
Ushbu formula suyuqlik membranasining massa o'tkazuvchanligini va jel qatlamining diffuziya qarshiligini har tomonlama ko'rib chiqadi. Eritmadagi polimer miqdori yuqori bo'lsa yoki jel qatlami qalin bo'lsa, diffuziya qarshiligi sezilarli darajada oshadi, bu esa cheklovchi oqim holatiga muddatidan oldin erishishni osonlashtiradi.
Xulosa
Jel qatlamining polarizatsiyasi ultrafiltratsiya jarayonlaridagi eng tipik operatsion darboğazlardan biridir. Ushbu maqoladagi tahlil orqali biz bu shunchaki "ifloslanish" muammosi emas, balki massa uzatish, tarqalish va ish sharoitlarining birgalikdagi ta'siri natijasi ekanligini ko'rishimiz mumkin. Matematik formula konsentratsiya, oqim va massa uzatish qarshiligi o'rtasidagi ichki bog'liqlikni ochib beradi; jarayonni loyihalash va operatsion optimallashtirish jel qatlamining polarizatsiyasini ma'lum darajada nazorat qilishi mumkin; polimer tizimlari uchun ish sharoitlarini oqilona tanlash ultrafiltratsiya samaradorligini ta'minlashning kalitidir. Amaliy muhandislikda, agar ushbu maqoladagi formulalar va tamoyillar Jw, k, Di va gel kabi parametrlarning dinamik monitoringi bilan birlashtirilsa, ultrafiltratsiya tizimining barqaror va samarali ishlashiga erishish mumkin.
