基本介紹
- 中文名：錯流超濾
- 外文名：Cross flow ultrafiltration
- 屬於：超濾
- 特點：透率在管道長度方向是變化的
- 方程：二維對流擴散方程
- 模型：描述沖刷和侵蝕機理的模型
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錯流超濾的概述
錯流超濾的自由空間內流體對膜表面有剪下力的作用，其滲透率在管道長度方向是變化的。針對錯流超濾的特點，在膜的上層部分引入了流體自由流動空間，用方程來描述。在自由空間和膜的界面處，用流體的連續性將自由空間和膜介質的流場進行了耦合。膜的污染描述，基於死端超濾建立起來的污染模型。
採用有限元模擬方法，分析不同入口速率下高分子超濾膜的跨膜壓力、沉積量和滲透通量沿管道長度方向的變化情況，並對膜內滲透率、壓力梯度和沉積量在膜厚度方向的變化進行了分析，得到以下結論：流體的入口速率越大，形成的跨膜壓力越大，同時在膜表面形成的剪下作用越大，使膜上的沉積量越小，滲透通量越大；但是，入口速率越大，在工藝操作中會消耗越多的能量；在實際生產中，宜根據所需的污水處理效率和成本要求，選擇合適的入口速率；錯流超濾膜內的滲透率、壓力梯度和沉積量在膜厚度方向的變化表現出與死端超濾相似的規律性。
錯流超濾的計算模型
在錯流超濾過程中採用二維對流擴散方程表示質量的傳輸。當軸向流速比徑向流速大很多的時候，忽略軸向擴散項。分步進行的偽穩態通量下降狀態模型用來預測錯流超濾過程中濃差極化引起的通量下降，運用死端過濾阻力模型定義濾餅比阻，同時利用分子擴散係數和剪下誘導應力擴散係數的加和來確定有效擴散係數，最後利用疊代算法預測有限時間內滲透通量的下降量，直到達到恆定值。模型預測結果與膠體懸浮液錯流超濾過程的通量下降的實驗結果實現了很好的吻合。
錯流超濾相關研究
Madsen等人從流體力學計算中發現，在錯流超濾體系中慣性提升速率小於滲透通量。在膜表面就會形成溶質濃度比較高的沉積粒子層，濾餅層將無限制增加，最後堵塞管道，但在實際中沒有出現這種情況。Blatt等人假設由料液引起的剪下力使濾餅層以一定的速率沿膜面作切向運動，該速率可以與粒子的沉積速率相平衡。
Romero和Davis在二維粒子質量守恆微分方程中引入時間變化項。Pearson和Sherwood等人提出了錯流超濾中濾餅層形成過程的連續方程，對懸浮液和濾餅層的特性做了假設。將該模型的計算結果和Ladva的實驗結果相比較發現對準穩態過程該模型可以和實驗結果很好的符合，但是對穩態過程實驗結果和模型計算結果相差較大。Davis和Sherwood針對濾餅層為超濾過程主要阻力的情況，在二維濃度擴散方程，連續方程以及描述粒子濃差極化邊界層的動量方程的基礎上推出了和Shen等人非常類似的解，綜合考慮了Davis和Leighton所提出的對剪下粘度和由剪下引起的流動擴散的經驗修正。論證了Davis和Leighton等人的近似解對無限稀溶液和少數的懸浮液成立。
Fane等人針對大粒子錯流超濾過程，提出了描述沖刷和侵蝕機理的模型。前面所提到的側向遷移並不是主要影響因素。該模型認為粒子沉積到膜表面速率與沖刷速率相平衡，在此平衡的基礎上建立了模型方程。該模型證明了通量與濃度之間的對數關係，可以套用於一些包含有剛性粒子的超濾體系。但是該模型建立基礎較簡單，需要必要的理論基礎。另外在模型中沒有考慮粒子體積對超濾和沖刷速率的影響。
Bowen在過濾理論的基礎上，將膠體之間的存在的范德華力、靜電力以及渦旋力以比較複雜的數學形式考慮到模型中。通過該模型利用一些物化參數就可以計算得到滲透通量。這是第一個考慮到膠體相互作用的模型，但是該模型只適用於終端超濾過程。通過與實測數據比較，該模型可以很好的預測實驗結果。為了將該模型套用於錯流過程，Bacchin等人將膠體之間作用力轉變為對擴散係數的影響，在管式膜器的基礎上推出了一個適用於錯流超濾情況的模型，計算結果表明可以和實驗數據符合很好。在該模型推導過程中提出了一個判斷在膜表面形成凝膠層和濃差極化層的標準。
