高規格鵝卵石濾料生產廠家變徑網絲進水隔網幾何特征對膜元件的水力學和抗污染性能的影響探究

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

　　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。進水隔網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，增強流體湍動，加強傳質，減小濃差極化。然而，進水隔網的存在使得跨流道壓降差(FCP)升高，進而提高了能耗，同時隔網的網絲結點處易形成“死區”，導致微生物淤積和污染。因此，進水隔網的設計與優化非常關鍵。以往的研究主要集中在均一網絲進水隔網的影響與優化探究，而變徑網絲進水隔網對流道的水力學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絲進水隔網的幾何特征對于流道水力學性能與抗污染性能的影響，在此基礎上對進水隔網的設計與優化提出建議。

　　圖文導讀

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

　　圖2 實驗錯流過濾裝置

　　水力學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絲進水隔網對流道的影響。對比無進水隔網的流道，含進水隔網的FCP顯著增加，表明進水隔網是引起跨流道壓降差的主要原因。在含進水隔網的流道中，NSL的網格尺寸大于NDL，本應成為有利于減小FCP的因素，然而NSL引起的FCP最大(錯流速度0.12 m/s時壓降差達到5.6 mbar/cm)，表明單層變徑網絲的設計可能對水流起到更大的阻礙作用。當不考慮膜污染以及流道進口壓力一致時，根據達西定律，純水通量主要與FCP有關。因此，評價進水隔網的水力學性能可以主要關注跨流道壓降差。

　　圖3 不同進水隔網流道的跨流道壓降差隨入口錯流速度的變化。

　　圖4 不同進水隔網流道的純水通量隨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水隔網表面積累的污染物含量分別進行測定。結果顯示，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，而進水隔網表面的TOC含量和ATP含量分別為0.13mg/cm2和34.8 pg/cm2，表明膜污染比隔網污染嚴重。就膜污染而言，放置進水隔網的流道均比無進水隔網的流道更輕，但部分污染物沉積、附著在進水隔網表面，需要綜合隔網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水隔網的流道，但其隔網污染較嚴重，導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)，這與它的雙層網絲結構以及縮窄口位于網絲結點附近有關。

　　圖5 不同進水隔網流道在污染后的(A)TOC濃度，(B)ATP濃度，(C)相對膜通量，(D)相對膜通量與TOC/ATP濃度的相關性分析。采用CFD模擬得到不同進水隔網流道的流場分布，并通過計算FCP與實驗數據相對比實現模型的驗證。CFD結果表明，盡管NSL流道展現出最高的局部流速(0.326 m/s)和平均流速(0.149 m/s)，但其FCP也最大，且產生了較大區域的流動“死區”，污染物容易在“死區”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”的形成。計算了不同進水隔網流道的膜面與隔網的壁面剪切力，其結果與膜污染實驗中的TOC/ATP濃度呈現顯著的負相關關系。壁面剪切力的提高，可以增強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，在進水隔網的幾何設計中，應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模擬不同進水隔網流道的流場分布圖。入口錯流速度為0.12 m/s。

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

　　小結

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

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

　　(2)變徑網絲進水隔網不建議采用單層網絲的設計，因為其易引起較大的跨流道壓降差，同時產生較多的流動“死區”，導致嚴重的膜污染和隔網污染。

　　(3)網絲縮窄口的設計有利于減輕膜污染，其應該設計在易發生污染的“死區”附近，例如網絲結點處。

　　(4)設計、開發具有更好的水力學性能和抗污染性能的新型進水隔網，對于提升膜元件的性能至關重要。

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