Профиль

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10798 (2023) Цитировать эту статью

352 доступа

Подробности о метриках

Оптимальная конструкция прокладки повышает эффективность фильтрации в спирально-навитых модулях за счет контроля локальной гидродинамики внутри фильтрационного канала. В данном исследовании предлагается новая конструкция проставки аэродинамического профиля, изготовленная с использованием технологии 3D-печати. Конструкция представляет собой лестничную конфигурацию с первичными нитями в форме аэродинамического профиля, обращенными к входящему потоку сырья. Нити аэродинамического профиля усилены цилиндрическими стойками, поддерживающими поверхность мембраны. По бокам все нити профиля соединены тонкими цилиндрическими нитями. Характеристики новых прокладок аэродинамического профиля оцениваются при угле атаки (AOA) 10° (проставка А-10) и 30° (проставка А-30) и сравниваются с коммерческими проставками (COM). При фиксированных условиях эксплуатации моделирование показывает стационарную гидродинамику внутри канала для проставки А-10, тогда как для проставки А-30 обнаружено нестационарное состояние. Числовое напряжение сдвига стенки для прокладок аэродинамического профиля распределено равномерно и имеет более высокую величину, чем у проставки COM. Конструкция спейсера А-30 является наиболее эффективной в процессе ультрафильтрации с повышенным потоком пермеата (228%), сниженными удельными энергозатратами (23%) и развитием биообрастания (74%) по данным оптической когерентной томографии. Результаты систематически демонстрируют важную роль аэродинамических нитей в конструкции прокладки подачи. Модификация АОА позволяет эффективно управлять локальной гидродинамикой в ​​зависимости от типа фильтрации и условий эксплуатации.

За последнее десятилетие нехватка пресной воды постоянно росла и оказывала огромное давление на существующие ресурсы пресной воды1. Кроме того, недавнее распространение пандемии коронавируса, способного заражать воду в течение нескольких дней или недель2, создает огромную нагрузку на производство безопасной питьевой воды. Технологии мембранной фильтрации, такие как обратный осмос (ОО), нанофильтрация (НФ) и ультрафильтрация (УФ), привлекли внимание благодаря их способности производить большое количество безопасной питьевой воды при разумных эксплуатационных расходах3. Однако накопление (био)загрязнений на поверхности мембраны ухудшает эффективность фильтрации и ухудшает качество воды4. Таким образом, контроль роста (био)обрастания имеет важное значение для повышения продуктивности воды при минимизации потребления энергии. Предотвращение роста бактерий за счет продуманной конструкции компонентов модуля фильтрации представляет собой простой и экологически безопасный подход. Сосредоточение внимания на разработке оптимальной прокладки подачи в спирально-навитых модулях (SWM) в последнее время приобрело значительный импульс для повышения производительности воды, уменьшения роста (био)обрастаний и снижения энергопотребления5,6.

Прокладка подачи в SWM механически поддерживает листья мембраны и способствует нестабильности жидкости, связанной с локальной скоростью сдвига, что улучшает массоперенос и в конечном итоге препятствует росту бактерий7,8,9. Однако существует предельное значение скорости сдвига, выше которого благоприятствует прикрепление бактерий к мембране, что снижает эффективность фильтрации и увеличивает перепад давления в подающем канале5. Таким образом, изменение гидродинамики из-за интеграции питающей проставки может отрицательно повлиять на процесс фильтрации, если его конструкция не оптимизирована должным образом5. Таким образом, определение оптимальной микроструктуры спейсера до сих пор остается сложной задачей для улучшения процесса фильтрации10,11.

В последние годы развитие технологии 3D-печати способствовало созданию инновационных прокладок подачи с высокой универсальностью и более сложной геометрией8. Технологии 3D-печати или аддитивное производство — это передовые процессы, основанные на создании физических объектов из моделей автоматизированного проектирования (САПР) путем добавления материалов слой за слоем12. Прокладки, напечатанные на 3D-принтере, были разработаны путем изменения геометрических характеристик коммерческих прокладок13,14,15,16 или путем создания новых микроструктурированных конструкций8,17,18,19,20,21,22,23. Среди недавно разработанных конструкций прокладок трехпериодическая минимальная поверхность (TPMS)8,18, однородная синусоидальная конфигурация22, сотовая23, перфорированная20, колонная17 и спиральная19 прокладки продемонстрировали потенциал для уменьшения загрязнения мембраны и повышения производительности воды в лабораторных условиях. блоки фильтрации накипи. Однако некоторые ограничения, включая сложность конструкции и слабость механической прочности, препятствуют их внедрению на промышленных предприятиях.