Seperti diketahui, fenomena yang disebut "polarisasi konsentrasi" terjadi selama pengoperasian membran nanofiltrasi dan osmosis balik, yang menyebabkan pengotoran membran. Karena ultrafiltrasi tidak mengkonsentrasikan zat terlarut, hanya menyaring, fenomena "polarisasi konsentrasi" tidak signifikan selama pengoperasian membran ultrafiltrasi. Namun ultrafiltrasi dapat menahan koloid, sehingga fenomena "polarisasi lapisan gel" berdampak signifikan pada membran ultrafiltrasi. Artikel ini membagikan prinsip, formula, dan signifikansi teknik "polarisasi lapisan gel" membran ultrafiltrasi bagi para profesional pengolahan air.
I. Konsep Polarisasi Lapisan Gel
Selama ultrafiltrasi, ketika air umpan mengandung sejumlah besar zat terlarut makromolekul (seperti protein, polisakarida, partikel koloid, dll.), zat-zat ini terakumulasi pada permukaan membran, secara bertahap membentuk lapisan pekat. Ketika filtrasi berlangsung, konsentrasi zat terlarut dalam lapisan pekat meningkat, akhirnya mencapai kelarutan jenuh zat terlarut dalam sistem, sehingga membentuk lapisan gel pada permukaan membran. Setelah lapisan gel terbentuk, meskipun perbedaan tekanan transmembran (TMP) terus meningkat, fluks permeat tidak lagi meningkat secara signifikan. Proses ini disebut kontrol polarisasi lapisan gel. Ketika perbedaan tekanan membran meningkat, laju aliran permeat awalnya meningkat dan kemudian menjadi stabil.
II. Model Matematika dan Analisis Rumus
1. Persamaan Transfer Polarisasi Lapisan Gel
Ketika konsentrasi zat terlarut pada permukaan membran mencapai jenuh, maka proses perpindahan massa zat terlarut di dekat permukaan membran dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
Dimana: cm adalah konsentrasi makromolekul pada permukaan membran; cp adalah konsentrasi makromolekul dalam permeat; cb adalah konsentrasi rata-rata makromolekul dalam air umpan di dalam elemen membran; Jw adalah fluks permeat; k adalah koefisien perpindahan massa pada permukaan membran.
Rumus ini mengungkapkan pola “akumulasi” makromolekul pada permukaan membran: (1) Peningkatan kecepatan aliran silang dan peningkatan k dapat mengurangi ketebalan lapisan polarisasi gel; (2) Mengurangi fluks operasi dapat mengontrol konsentrasi makromolekul pada permukaan membran di bawah titik gel.
2. Hubungan antara Fluks Pembatas dan Konsentrasi Maksimum
Ketika konsentrasi makromolekul cm pada permukaan membran mencapai titik gel cg, sistem memasuki keadaan fluks pembatas. Saat ini rumus perpindahan massa dapat disederhanakan menjadi rumus berikut.
Ini berarti bahwa ketika kondisi operasi menyebabkan konsentrasi permukaan membran mencapai cg, peningkatan perbedaan tekanan transmembran tidak lagi meningkatkan fluks.
Arti penting teknik dari rumus ini adalah: (1) Dalam desain proses, fluks pembatas merupakan parameter kunci yang menentukan luas membran dan konsumsi energi; (2) Pengoperasian sistem ultrafiltrasi yang stabil harus menghindari pengoperasian jangka panjang di wilayah fluks pembatas.
3. Tekanan Permukaan Membran dan Ketahanan Lapisan Gel
Kehadiran lapisan gel tidak hanya mempengaruhi perpindahan massa tetapi juga secara signifikan meningkatkan resistensi filtrasi. Ekspresi matematikanya ditunjukkan di bawah ini.
Dimana: ki,gel adalah koefisien ketahanan lapisan gel terhadap zat makromolekul i; Δl adalah ketebalan lapisan gel; Di,gel adalah koefisien difusi dalam lapisan gel.
Hal ini menunjukkan bahwa ketika lapisan gel menjadi lebih tebal (Δl meningkat) atau difusi dalam lapisan gel melambat (Di,gel menurun), koefisien perpindahan massa ki,gel akan menurun secara signifikan.
Dalam desain teknik: (1) Peningkatan Δl dapat dikontrol dengan meningkatkan gaya geser aliran silang, mengurangi konsentrasi larutan, atau meningkatkan frekuensi pencucian balik; (2) Mengurangi viskositas influen meningkatkan Di,gel; semakin tinggi suhu air, semakin rendah viskositasnya. AKU AKU AKU.
AKU AKU AKU. Distribusi Konsentrasi Permukaan Membran dan Signifikansi Desain
Makromolekul memiliki konsentrasi yang relatif rendah pada jarak yang jauh dari membran, namun konsentrasinya meningkat dengan cepat di dekat membran, cenderung menuju kejenuhan di dalam lapisan gel. Model matematika yang sesuai ditunjukkan pada persamaan berikut:
Dimana: ki adalah koefisien perpindahan massa membran cair; ε adalah porositas lapisan gel.
Formula ini secara komprehensif mempertimbangkan ketahanan perpindahan massa membran cair dan ketahanan difusi lapisan gel. Ketika kandungan polimer dalam larutan tinggi atau lapisan gel tebal, resistensi difusi meningkat secara signifikan, sehingga lebih mudah untuk mencapai keadaan fluks batas sebelum waktunya.
Ringkasan
Polarisasi lapisan gel adalah salah satu hambatan operasional yang paling umum dalam proses ultrafiltrasi. Melalui analisis dalam makalah ini, kita dapat melihat bahwa hal ini bukan sekadar masalah "pengotoran", namun lebih merupakan akibat gabungan dari perpindahan massa, difusi, dan kondisi pengoperasian. Rumus matematikanya mengungkapkan hubungan intrinsik antara konsentrasi, fluks, dan hambatan perpindahan massa; desain proses dan optimalisasi operasional dapat mengontrol polarisasi lapisan gel sampai batas tertentu; untuk sistem polimer, pemilihan kondisi pengoperasian yang rasional adalah kunci untuk memastikan efisiensi ultrafiltrasi. Dalam rekayasa praktis, jika rumus dan prinsip dalam makalah ini dikombinasikan dengan pemantauan dinamis parameter seperti Jw, k, Di, dan gel, pengoperasian sistem ultrafiltrasi yang stabil dan efisien dapat dicapai.