Như đã biết, hiện tượng “phân cực nồng độ” tồn tại trong quá trình hoạt động của màng lọc nano và màng thẩm thấu ngược, dẫn đến hiện tượng tắc nghẽn màng. Do siêu lọc không cô đặc các chất hòa tan mà chỉ lọc nên hiện tượng “phân cực nồng độ” không đáng kể trong quá trình hoạt động của màng siêu lọc. Tuy nhiên, siêu lọc có thể giữ lại chất keo nên hiện tượng “phân cực lớp gel” ảnh hưởng không nhỏ đến màng siêu lọc. Bài viết này chia sẻ nguyên lý, công thức và ý nghĩa kỹ thuật của màng siêu lọc “phân cực lớp gel” đối với các chuyên gia xử lý nước.
I. Khái niệm phân cực lớp gel
Trong quá trình siêu lọc, khi nước cấp có chứa một lượng lớn các chất hòa tan cao phân tử (như protein, polysaccharides, hạt keo, v.v.), các chất này tích tụ trên bề mặt màng, dần dần tạo thành một lớp cô đặc. Khi quá trình lọc diễn ra, nồng độ chất tan trong lớp cô đặc tăng lên, cuối cùng đạt đến độ hòa tan bão hòa của chất tan trong hệ thống, do đó hình thành lớp gel trên bề mặt màng. Sau khi lớp gel hình thành, ngay cả khi chênh lệch áp suất xuyên màng (TMP) tiếp tục tăng thì dòng thấm không còn tăng đáng kể nữa. Quá trình này được gọi là kiểm soát phân cực lớp gel. Khi chênh lệch áp suất màng tăng lên, tốc độ dòng thấm ban đầu tăng lên và sau đó ổn định.
II. Mô hình toán học và phân tích công thức
1. Chuyển phương trình phân cực lớp gel
Khi nồng độ chất tan trên bề mặt màng đạt mức bão hòa, quá trình truyền khối của chất tan gần bề mặt màng có thể được tính theo công thức sau:
Trong đó: cm là nồng độ các đại phân tử trên bề mặt màng; cp là nồng độ các đại phân tử trong nước thấm qua; cb là nồng độ trung bình của các đại phân tử trong nước cấp bên trong thành phần màng; Jw là dòng thấm qua; k là hệ số truyền khối trên bề mặt màng.
Công thức này cho thấy mô hình “tích lũy” đại phân tử trên bề mặt màng: (1) Tăng vận tốc dòng chảy ngang và tăng k có thể làm giảm độ dày của lớp phân cực gel; (2) Giảm thông lượng vận hành có thể kiểm soát nồng độ của các đại phân tử trên bề mặt màng bên dưới điểm gel.
2. Mối quan hệ giữa dòng giới hạn và nồng độ tối đa
Khi nồng độ các đại phân tử cm trên bề mặt màng đạt đến điểm gel cg, hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái từ thông giới hạn. Lúc này, công thức truyền khối có thể được đơn giản hóa thành công thức sau.
Điều này có nghĩa là một khi các điều kiện vận hành làm cho nồng độ bề mặt màng đạt tới cg, việc tăng thêm chênh lệch áp suất xuyên màng sẽ không còn làm tăng thông lượng nữa.
Ý nghĩa kỹ thuật của công thức này là: (1) Trong thiết kế quy trình, thông lượng giới hạn là thông số chính xác định diện tích màng và mức tiêu thụ năng lượng; (2) Hoạt động ổn định của hệ thống siêu lọc sẽ tránh hoạt động lâu dài trong vùng thông lượng giới hạn.
3. Áp lực bề mặt màng và sức cản của lớp gel
Sự hiện diện của lớp gel không chỉ ảnh hưởng đến việc truyền khối mà còn làm tăng đáng kể khả năng chống lọc. Biểu thức toán học của nó được hiển thị dưới đây.
Trong đó: ki,gel là hệ số cản của lớp gel đối với chất cao phân tử i; Δl là độ dày của lớp gel; Di,gel là hệ số khuếch tán trong lớp gel.
Điều này cho thấy khi lớp gel trở nên dày hơn (Δl tăng) hoặc độ khuếch tán trong lớp gel chậm lại (Di,gel giảm) thì hệ số truyền khối ki,gel sẽ giảm đáng kể.
Trong thiết kế kỹ thuật: (1) Việc tăng Δl có thể được kiểm soát bằng cách tăng lực cắt dòng-ngang, giảm nồng độ dung dịch hoặc tăng tần suất rửa ngược; (2) Giảm độ nhớt dòng vào làm tăng Di,gel; nhiệt độ nước càng cao thì độ nhớt càng thấp. III.
III. Ý nghĩa thiết kế và phân bố nồng độ bề mặt màng
Các đại phân tử có nồng độ tương đối thấp ở xa màng, nhưng nồng độ của chúng tăng nhanh ở gần màng, có xu hướng bão hòa trong lớp gel. Mô hình toán học tương ứng được thể hiện trong phương trình sau:
Trong đó: ki là hệ số truyền khối của màng chất lỏng; ε là độ xốp của lớp gel.
Công thức này xem xét toàn diện khả năng chống chuyển khối của màng chất lỏng và khả năng chống khuếch tán của lớp gel. Khi hàm lượng polymer trong dung dịch cao hoặc lớp gel dày, khả năng cản khuếch tán tăng lên đáng kể, khiến cho việc đạt trạng thái thông lượng giới hạn sớm dễ dàng hơn.
Bản tóm tắt
Phân cực lớp gel là một trong những điểm nghẽn vận hành điển hình nhất trong quy trình siêu lọc. Qua phân tích trong bài báo này, chúng ta có thể thấy đó không chỉ đơn thuần là vấn đề “làm bẩn” mà là kết quả của sự tác động tổng hợp của các điều kiện truyền khối, khuếch tán và vận hành. Công thức toán học cho thấy mối quan hệ nội tại giữa nồng độ, dòng chảy và khả năng cản chuyển khối; thiết kế quy trình và tối ưu hóa vận hành có thể kiểm soát sự phân cực của lớp gel ở một mức độ nhất định; đối với các hệ thống polyme, việc lựa chọn hợp lý các điều kiện vận hành là chìa khóa để đảm bảo hiệu quả siêu lọc. Trong kỹ thuật thực tế, nếu các công thức và nguyên tắc trong bài viết này được kết hợp với việc giám sát động các thông số như Jw, k, Di và gel thì có thể đạt được hoạt động ổn định và hiệu quả của hệ thống siêu lọc.