अल्ट्राफिल्ट्रेशन मेम्ब्रेन 'जेल लेयर पोलराइजेशन': सिद्धांत, सूत्र और इंजीनियरिंग महत्व

जैसा कि सर्वविदित है, नैनोफिल्ट्रेशन और रिवर्स ऑस्मोसिस झिल्ली के संचालन के दौरान "एकाग्रता ध्रुवीकरण" नामक एक घटना मौजूद होती है, जिससे झिल्ली खराब हो जाती है। चूंकि अल्ट्राफिल्ट्रेशन विलेय पदार्थों को केंद्रित नहीं करता है, केवल फ़िल्टरिंग करता है, इसलिए अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली ऑपरेशन के दौरान "एकाग्रता ध्रुवीकरण" घटना महत्वपूर्ण नहीं है। हालाँकि, अल्ट्राफिल्ट्रेशन कोलाइड्स को बनाए रख सकता है, इसलिए "जेल परत ध्रुवीकरण" की घटना का अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। यह लेख जल उपचार पेशेवरों के लिए अल्ट्राफिल्ट्रेशन झिल्ली "जेल परत ध्रुवीकरण" के सिद्धांतों, सूत्रों और इंजीनियरिंग महत्व को साझा करता है।

अल्ट्राफिल्ट्रेशन के दौरान, जब फ़ीड पानी में बड़ी मात्रा में मैक्रोमोलेक्युलर विलेय (जैसे प्रोटीन, पॉलीसेकेराइड, कोलाइडल कण, आदि) होते हैं, तो ये पदार्थ झिल्ली की सतह पर जमा हो जाते हैं, धीरे-धीरे एक केंद्रित परत बनाते हैं। जैसे-जैसे निस्पंदन आगे बढ़ता है, संकेंद्रित परत के भीतर विलेय की सांद्रता बढ़ती है, अंततः सिस्टम में विलेय की संतृप्त घुलनशीलता तक पहुंच जाती है, इस प्रकार झिल्ली की सतह पर एक जेल परत बन जाती है। जेल परत बनने के बाद, भले ही ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव अंतर (टीएमपी) बढ़ता रहे, पर्मेट प्रवाह अब महत्वपूर्ण रूप से नहीं बढ़ता है। इस प्रक्रिया को जेल परत ध्रुवीकरण नियंत्रण कहा जाता है। जैसे-जैसे झिल्ली दबाव अंतर बढ़ता है, पर्मिट प्रवाह दर शुरू में बढ़ती है और फिर स्थिर हो जाती है।

1. जेल परत ध्रुवीकरण का स्थानांतरण समीकरण
जब झिल्ली की सतह पर विलेय की सांद्रता संतृप्ति तक पहुँच जाती है, तो झिल्ली की सतह के निकट विलेय की द्रव्यमान स्थानांतरण प्रक्रिया की गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:

कहां: सेमी झिल्ली की सतह पर मैक्रोमोलेक्यूल्स की एकाग्रता है; सीपी पर्मिट में मैक्रोमोलेक्यूल्स की सांद्रता है; सीबी झिल्ली तत्व के भीतर फ़ीड पानी में मैक्रोमोलेक्यूल्स की औसत एकाग्रता है; Jw परमीट फ्लक्स है; k झिल्ली सतह पर द्रव्यमान स्थानांतरण गुणांक है।

यह सूत्र झिल्ली सतह पर मैक्रोमोलेक्यूल "संचय" के पैटर्न को प्रकट करता है: (1) क्रॉसफ़्लो वेग बढ़ाने और k बढ़ाने से जेल ध्रुवीकरण परत की मोटाई कम हो सकती है; (2) ऑपरेटिंग फ्लक्स को कम करने से जेल बिंदु के नीचे झिल्ली की सतह पर मैक्रोमोलेक्यूल्स की एकाग्रता को नियंत्रित किया जा सकता है।

2. सीमित प्रवाह और अधिकतम एकाग्रता के बीच संबंध
जब झिल्ली की सतह पर मैक्रोमोलेक्युलस सेमी की सांद्रता जेल बिंदु सीजी तक पहुंच जाती है, तो सिस्टम सीमित प्रवाह स्थिति में प्रवेश करता है। इस समय, बड़े पैमाने पर स्थानांतरण सूत्र को निम्नलिखित सूत्र में सरल बनाया जा सकता है।

इसका मतलब यह है कि एक बार जब परिचालन स्थितियों के कारण झिल्ली की सतह की सांद्रता सीजी तक पहुंच जाती है, तो ट्रांसमेम्ब्रेन दबाव अंतर बढ़ने से प्रवाह में वृद्धि नहीं होगी।

इस सूत्र का इंजीनियरिंग महत्व है: (1) प्रक्रिया डिजाइन में, सीमित प्रवाह झिल्ली क्षेत्र और ऊर्जा खपत का निर्धारण करने वाला एक प्रमुख पैरामीटर है; (2) अल्ट्राफिल्ट्रेशन सिस्टम के स्थिर संचालन को सीमित प्रवाह क्षेत्र में दीर्घकालिक संचालन से बचना चाहिए।

3. झिल्ली सतह दबाव और जेल परत प्रतिरोध

जेल परत की उपस्थिति न केवल बड़े पैमाने पर स्थानांतरण को प्रभावित करती है बल्कि निस्पंदन प्रतिरोध को भी काफी बढ़ा देती है। इसकी गणितीय अभिव्यक्ति नीचे दर्शायी गयी है।

कहा पे: की,जेल मैक्रोमोलेक्युलर पदार्थ i के लिए जेल परत का प्रतिरोध गुणांक है; Δl जेल परत की मोटाई है; डि, जेल जेल परत के भीतर प्रसार गुणांक है।

यह इंगित करता है कि जब जेल परत मोटी हो जाती है (Δl बढ़ जाती है) या जेल परत के भीतर प्रसार धीमा हो जाता है (Di,gel कम हो जाता है), द्रव्यमान स्थानांतरण गुणांक Ki,gel काफी कम हो जाएगा।

इंजीनियरिंग डिज़ाइन में: (1) Δl की वृद्धि को क्रॉस-प्रवाह कतरनी बल को बढ़ाकर, समाधान एकाग्रता को कम करके, या बैकवाश आवृत्ति को बढ़ाकर नियंत्रित किया जा सकता है; (2) प्रभावशाली चिपचिपाहट कम करने से Di,gel बढ़ जाता है; पानी का तापमान जितना अधिक होगा, चिपचिपाहट उतनी ही कम होगी। तृतीय.

मैक्रोमोलेक्यूल्स की झिल्ली से दूर अपेक्षाकृत कम सांद्रता होती है, लेकिन झिल्ली के पास उनकी सांद्रता तेजी से बढ़ती है, जो जेल परत के भीतर संतृप्ति की ओर बढ़ती है। संबंधित गणितीय मॉडल निम्नलिखित समीकरण में दिखाया गया है:

कहा पे: की तरल झिल्ली द्रव्यमान स्थानांतरण गुणांक है; ε जेल परत की सरंध्रता है।

यह सूत्र व्यापक रूप से तरल झिल्ली द्रव्यमान स्थानांतरण प्रतिरोध और जेल परत प्रसार प्रतिरोध पर विचार करता है। जब समाधान में पॉलिमर सामग्री अधिक होती है या जेल परत मोटी होती है, तो प्रसार प्रतिरोध काफी बढ़ जाता है, जिससे समय से पहले सीमित प्रवाह स्थिति तक पहुंचना आसान हो जाता है।

सारांश

जेल परत ध्रुवीकरण अल्ट्राफिल्ट्रेशन प्रक्रियाओं में सबसे विशिष्ट परिचालन बाधाओं में से एक है। इस पेपर में विश्लेषण के माध्यम से, हम देख सकते हैं कि यह केवल एक "फाउलिंग" समस्या नहीं है, बल्कि बड़े पैमाने पर स्थानांतरण, प्रसार और परिचालन स्थितियों के संयुक्त प्रभावों का परिणाम है। गणितीय सूत्र एकाग्रता, प्रवाह और द्रव्यमान स्थानांतरण प्रतिरोध के बीच आंतरिक संबंध को प्रकट करता है; प्रक्रिया डिजाइन और परिचालन अनुकूलन एक निश्चित सीमा तक जेल परत ध्रुवीकरण को नियंत्रित कर सकते हैं; पॉलिमर प्रणालियों के लिए, परिचालन स्थितियों का तर्कसंगत चयन अल्ट्राफिल्ट्रेशन दक्षता सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है। व्यावहारिक इंजीनियरिंग में, यदि इस पेपर के सूत्रों और सिद्धांतों को Jw, k, Di और जेल जैसे मापदंडों की गतिशील निगरानी के साथ जोड़ा जाता है, तो अल्ट्राफिल्ट्रेशन सिस्टम का स्थिर और कुशल संचालन प्राप्त किया जा सकता है।