高規(guī)格鵝卵石濾料生產(chǎn)廠家變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)幾何特征對膜元件的水力學(xué)和抗污染性能的影響探究

　　高規(guī)格鵝卵石濾料廠家變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)幾何特征對膜元件的水力學(xué)和抗污染性能的影響探究。進(jìn)水隔網(wǎng)是卷式膜元件中的重要組成部分，其對膜元件的水力學(xué)表現(xiàn)和膜污染有重要的影響。本研究首次關(guān)注到進(jìn)水隔網(wǎng)變徑網(wǎng)絲幾何特征的影響，選用了4種相應(yīng)的進(jìn)水隔網(wǎng)，通過實驗對它們的水力學(xué)性能和抗污染性能進(jìn)行了探究和對比，利用CFD模擬分析變徑網(wǎng)絲幾何特征對性能的影響。結(jié)果表明，進(jìn)水隔網(wǎng)的網(wǎng)絲層數(shù)、絲徑的非均一程度、網(wǎng)絲縮窄口的位置與寬度均會對流場產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響膜通道的水力學(xué)性能和抗污染性能。單層變徑網(wǎng)絲的進(jìn)水隔網(wǎng)引起的跨流道壓降差(FCP)最大，同時產(chǎn)生較多的流動“死區(qū)”，導(dǎo)致較為嚴(yán)重的膜污染。絲徑的非均一性越小、網(wǎng)絲縮窄口的寬度越大，則跨流道壓降差越小、能耗越低。由于膜污染易發(fā)生于網(wǎng)絲結(jié)點處，當(dāng)網(wǎng)絲縮窄口位于結(jié)點附近時，可有效減輕膜污染。研究表明，變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)的幾何特征對膜元件性能有較為明顯的影響，應(yīng)在設(shè)計與優(yōu)化中給予考慮。

　　引言

　　納濾/反滲透卷式膜元件被廣泛運用于海水淡化、城市污水處理與回用等行業(yè)。進(jìn)水隔網(wǎng)是卷式膜元件中必不可少的部分，它可以隔開膜片形成流道，增強(qiáng)流體湍動，加強(qiáng)傳質(zhì)，減小濃差極化。然而，進(jìn)水隔網(wǎng)的存在使得跨流道壓降差(FCP)升高，進(jìn)而提高了能耗，同時隔網(wǎng)的網(wǎng)絲結(jié)點處易形成“死區(qū)”，導(dǎo)致微生物淤積和污染。因此，進(jìn)水隔網(wǎng)的設(shè)計與優(yōu)化非常關(guān)鍵。以往的研究主要集中在均一網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)的影響與優(yōu)化探究，而變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)對流道的水力學(xué)性能與抗污染性能的影響尚不明晰。本研究的主要目的是探究不同變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)的幾何特征對于流道水力學(xué)性能與抗污染性能的影響，在此基礎(chǔ)上對進(jìn)水隔網(wǎng)的設(shè)計與優(yōu)化提出建議。

　　圖文導(dǎo)讀

　　圖1 所選用的4種變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)(NDL：變徑雙層網(wǎng)絲，下標(biāo)的“0”、“1/3”和“1/2”分別代表網(wǎng)絲縮窄口位于網(wǎng)絲的結(jié)點附近、1/3處以及中間;NSL：變徑單層網(wǎng)絲)。具體的幾何參數(shù)可見原文表格信息。

　　圖2 實驗錯流過濾裝置

　　水力學(xué)實驗從跨流道壓降差(FCP)和純水通量兩個角度探究了不同變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)對流道的影響。對比無進(jìn)水隔網(wǎng)的流道，含進(jìn)水隔網(wǎng)的FCP顯著增加，表明進(jìn)水隔網(wǎng)是引起跨流道壓降差的主要原因。在含進(jìn)水隔網(wǎng)的流道中，NSL的網(wǎng)格尺寸大于NDL，本應(yīng)成為有利于減小FCP的因素，然而NSL引起的FCP最大(錯流速度0.12 m/s時壓降差達(dá)到5.6 mbar/cm)，表明單層變徑網(wǎng)絲的設(shè)計可能對水流起到更大的阻礙作用。當(dāng)不考慮膜污染以及流道進(jìn)口壓力一致時，根據(jù)達(dá)西定律，純水通量主要與FCP有關(guān)。因此，評價進(jìn)水隔網(wǎng)的水力學(xué)性能可以主要關(guān)注跨流道壓降差。

　　圖3 不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的跨流道壓降差隨入口錯流速度的變化。

　　圖4 不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的純水通量隨TMP的變化：(1)2.3 bar，(2)3.5 bar，(3)4.9 bar。以流道長度為1 m計算，進(jìn)口錯流速度0.12 m/s。 開展膜污染實驗，并對不同流道的膜表面和進(jìn)水隔網(wǎng)表面積累的污染物含量分別進(jìn)行測定。結(jié)果顯示，膜表面的平均TOC含量和ATP含量分別為0.26 mg/cm2和68.0 pg/cm2，而進(jìn)水隔網(wǎng)表面的TOC含量和ATP含量分別為0.13mg/cm2和34.8 pg/cm2，表明膜污染比隔網(wǎng)污染嚴(yán)重。就膜污染而言，放置進(jìn)水隔網(wǎng)的流道均比無進(jìn)水隔網(wǎng)的流道更輕，但部分污染物沉積、附著在進(jìn)水隔網(wǎng)表面，需要綜合隔網(wǎng)污染來評價其抗污染性能。例如，NSL流道的膜污染程度低于無進(jìn)水隔網(wǎng)的流道，但其隔網(wǎng)污染較嚴(yán)重，導(dǎo)致總體污染程度更高。NDL0的抗污染性能最佳(污染后的相對膜通量最高，污染物水平最低)，這與它的雙層網(wǎng)絲結(jié)構(gòu)以及縮窄口位于網(wǎng)絲結(jié)點附近有關(guān)。

　　圖5 不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道在污染后的(A)TOC濃度，(B)ATP濃度，(C)相對膜通量，(D)相對膜通量與TOC/ATP濃度的相關(guān)性分析。采用CFD模擬得到不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的流場分布，并通過計算FCP與實驗數(shù)據(jù)相對比實現(xiàn)模型的驗證。CFD結(jié)果表明，盡管NSL流道展現(xiàn)出最高的局部流速(0.326 m/s)和平均流速(0.149 m/s)，但其FCP也最大，且產(chǎn)生了較大區(qū)域的流動“死區(qū)”，污染物容易在“死區(qū)”沉積、附著。而NDL流道在縮窄口附近形成較高的局部流速，破壞了“死區(qū)”的形成。計算了不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的膜面與隔網(wǎng)的壁面剪切力，其結(jié)果與膜污染實驗中的TOC/ATP濃度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。壁面剪切力的提高，可以增強(qiáng)邊界層中作用于顆粒或污染物的提升力，從而減緩污染速率。因此，在進(jìn)水隔網(wǎng)的幾何設(shè)計中，應(yīng)考慮盡可能提高壁面剪切力的同時降低跨流道壓降差。

　　圖6 CFD模擬不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的流場分布圖。入口錯流速度為0.12 m/s。

　　圖7 CFD計算不同進(jìn)水隔網(wǎng)流道的膜面與隔網(wǎng)的壁面剪切力，以及與膜污染實驗中的TOC/ATP濃度的相關(guān)性分析。

　　小結(jié)

　　本文采用水力學(xué)實驗、膜污染實驗與CFD模擬，探究了不同變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)幾何特征對膜元件中流道的水力學(xué)和抗污染性能的影響，主要結(jié)論如下：

　　(1)變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)的網(wǎng)絲層數(shù)、絲徑的變徑程度、網(wǎng)絲縮窄口的位置與寬度會影響流道中的流場，進(jìn)而影響流道整體的水力學(xué)性能和抗污染性能。

　　(2)變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)不建議采用單層網(wǎng)絲的設(shè)計，因為其易引起較大的跨流道壓降差，同時產(chǎn)生較多的流動“死區(qū)”，導(dǎo)致嚴(yán)重的膜污染和隔網(wǎng)污染。

　　(3)網(wǎng)絲縮窄口的設(shè)計有利于減輕膜污染，其應(yīng)該設(shè)計在易發(fā)生污染的“死區(qū)”附近，例如網(wǎng)絲結(jié)點處。

　　(4)設(shè)計、開發(fā)具有更好的水力學(xué)性能和抗污染性能的新型進(jìn)水隔網(wǎng)，對于提升膜元件的性能至關(guān)重要。

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