Tragflächenprofil

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10798 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Das optimale Design der Abstandshalter verbessert die Filtrationsleistung in spiralförmig gewickelten Modulen, indem es die lokale Hydrodynamik innerhalb des Filtrationskanals steuert. In dieser Studie wird ein neuartiges Design eines Schaufelblatt-Abstandshalters vorgeschlagen, der mithilfe der 3D-Drucktechnologie hergestellt wird. Das Design ist eine leiterförmige Konfiguration mit primären flügelförmigen Filamenten, die dem ankommenden Zufuhrstrom zugewandt sind. Die Tragflächenfilamente werden durch zylindrische Säulen verstärkt, die die Membranoberfläche stützen. Seitlich sind alle Tragflächenfilamente durch dünne zylindrische Filamente verbunden. Die Leistungen der neuartigen Tragflächenabstandshalter werden bei einem Anstellwinkel (AOA) von 10° (A-10-Abstandshalter) und 30° (A-30-Abstandshalter) bewertet und mit kommerziellen (COM) Abstandshaltern verglichen. Bei festen Betriebsbedingungen deuten Simulationen auf eine stationäre Hydrodynamik innerhalb des Kanals für den A-10-Abstandshalter hin, während für den A-30-Abstandshalter ein instationärer Zustand festgestellt wird. Die numerische Wandschubspannung ist bei Tragflächen-Abstandshaltern gleichmäßig verteilt und hat einen höheren Betrag als bei COM-Abstandshaltern. Das A-30-Abstandshalterdesign ist das effizienteste im Ultrafiltrationsprozess mit erhöhtem Permeatfluss (228 %) und reduziertem spezifischen Energieverbrauch (23 %) und Biofouling-Entwicklung (74 %), wie durch optische Kohärenztomographie charakterisiert. Die Ergebnisse belegen systematisch die einflussreiche Rolle flügelförmiger Filamente für die Gestaltung von Futterabstandshaltern. Durch die Änderung der AOA kann die lokale Hydrodynamik entsprechend der Filterart und den Betriebsbedingungen effektiv gesteuert werden.

Im letzten Jahrzehnt hat die Süßwasserknappheit kontinuierlich zugenommen und einen enormen Druck auf die vorhandenen Süßwasserressourcen ausgeübt1. Darüber hinaus stellt die jüngste Ausbreitung der Coronavirus-Pandemie, die das Wasser tage- bis wochenlang infizieren kann2, eine enorme Belastung für die Produktion von sauberem Trinkwasser dar. Membranfiltrationstechnologien wie Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) haben aufgrund ihres Potenzials, eine große Menge und sicheres Trinkwasser bei angemessenen Betriebskosten zu produzieren, an Aufmerksamkeit gewonnen3. Allerdings beeinträchtigt die Ansammlung von (Bio-)Fouling auf der Membranoberfläche die Filtrationsleistung und verschlechtert die Wasserqualität4. Daher ist die Kontrolle des (Bio-)Fouling-Wachstums für eine höhere Wasserproduktivität bei gleichzeitiger Minimierung des Energieverbrauchs von entscheidender Bedeutung. Die Verhinderung des Bakterienwachstums durch intelligentes Design von Filtermodulkomponenten ist ein unkomplizierter und umweltfreundlicher Ansatz. Die Konzentration auf die Entwicklung eines optimalen Feed-Abstandhalters in Spiralwickelmodulen (SWM) hat in letzter Zeit deutlich an Bedeutung gewonnen, um die Wasserproduktivität zu steigern, das (Bio-)Fouling-Wachstum zu reduzieren und den Energieverbrauch zu senken5,6.

Der Feed-Spacer in SWM unterstützt mechanisch die Membranblätter und fördert die Flüssigkeitsinstabilität, die mit der lokalen Scherrate verbunden ist, was den Stofftransfer verbessert und letztendlich das Bakterienwachstum bekämpft7,8,9. Es gibt jedoch einen Grenzwert für die Schergeschwindigkeit, oberhalb dessen die Anlagerung von Bakterien an der Membran begünstigt wird, was die Filtrationseffizienz beeinträchtigt und den Druckabfall im Zufuhrkanal erhöht5. Daher könnte die Änderung der Hydrodynamik aufgrund der Integration des Feed-Spacers den Filtrationsprozess negativ beeinflussen, wenn sein Design nicht gut optimiert ist5. Daher bleibt die Identifizierung einer optimalen Abstandshalter-Mikrostruktur bisher eine Herausforderung für die Verbesserung des Filtrationsprozesses10,11.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der 3D-Drucktechnologie zu innovativen Vorschubabstandshaltern mit hoher Vielseitigkeit und komplexerer Geometrie beigetragen8. 3D-Drucktechnologien oder additive Fertigung sind fortschrittliche Prozesse, die auf der Erstellung physischer Objekte aus CAD-Modellen (Computer-Aided Design) durch schichtweises Hinzufügen von Materialien basieren12. 3D-gedruckte Abstandshalter wurden durch Modifizierung der geometrischen Eigenschaften kommerzieller Abstandshalter13,14,15,16 oder durch die Herstellung neuartiger mikrostrukturierter Designs8,17,18,19,20,21,22,23 entwickelt. Unter den kürzlich entwickelten Abstandshalterdesigns zeigten dreifach periodische Minimaloberflächendesigns (TPMS)8,18, einheitliche sinusförmige Konfigurationen22, wabenförmige23, perforierte20, säulenförmige17 und spiralförmige19 Abstandshalter das Potenzial, die Membranverschmutzung zu lindern und die Wasserproduktivität im Labor zu verbessern. Kalkfiltrationseinheiten. Allerdings erschweren einige Einschränkungen, darunter die Komplexität des Designs und die schwache mechanische Festigkeit, ihre Implementierung in Industrieanlagen.

Die vorliegende Studie schlägt ein neuartiges Abstandshalterdesign vor, das auf Tragflächenquerschnitten basiert. Tragflächenformen werden üblicherweise für Flugzeugflügel, Windkraftanlagen und Turbomaschinenanwendungen verwendet. Der Tragflächenquerschnitt weist eine gekrümmte Ober- und Unterseite auf, die optimiert ist, um durch die Anpassung des Anstellwinkels (AOA) ein günstiges Verhältnis von Auftriebskräften (vertikale Kraftkomponente) und Widerstandskräften (horizontale Kraftkomponente) zu erzeugen. Die AOA einer Tragflächenmikrostruktur ist definiert als der Winkel, der zwischen der Sehnenlinie und dem einströmenden Fluidstrom gebildet wird. Herkömmlicherweise hat das Design des Feed-Spacer-Filaments kreisförmige Querschnitte, und die neuesten Designmodifikationen24 manipulieren die Mikrostruktur oder die Abmessungen um die kreisförmige Konfiguration herum. Jede Änderung des Abstandshalterfilaments verändert die Porosität des Filtrationskanals, was den Kanaldruckabfall, die lokale Hydrodynamik und das Scherspannungsniveau auf der Membranoberfläche erheblich verändert. Dies führt dazu, dass die Filtrationseffizienz im Hinblick auf die Energienutzung oder die Permeatflussproduktion entweder unterstützt oder abgelehnt wird. Daher ist es bei der Entwicklung des Feed-Spacer-Designs mit kreisförmigen Filamenten eine Herausforderung, den Effekt der Porosität von den Filterleistungsparametern zu isolieren.

Es wird ein neuartiges Feed-Spacer-Design mit flügelförmigen Filamenten mit NACA1410-Profil25 vorgeschlagen. Unseres Wissens nach bestand der einzige Versuch, die Form des Strömungsprofils in Filtrationstechnologien zu nutzen, darin, Merkmale diskreter Objekte des Strömungsprofils an der Membranoberfläche anzubringen, mit dem Ziel, die Dicke des Zufuhrkanals für eine erhöhte Membranpackungskapazität numerisch zu optimieren26. Unser Schaufelblatt-Abstandshalterdesign bietet den inhärenten Vorteil, dass es die Filtrationsleistung manipulieren kann, indem es die lokale Hydrodynamik verändert, indem es die AOA des Schaufelblatts anpasst, ohne die Kanalporosität zu beeinflussen. Um die AOA effektiv zu steuern, wird eine leiterartige Positionierung vorgeschlagen, wobei die Filamentzellen an vier Ecken von zylindrischen Säulen getragen werden. Es ist bereits bekannt, dass eine leiterartige Ausrichtung zu einer besseren Filterleistung führt27. Daher ist die effektive Nutzung dieser Konfiguration ideal, da sie dabei hilft, die AOA des Abstandsfilaments präzise zu steuern und so die Filterbedingungen im Kanal zu beeinflussen.

In der vorliegenden Studie haben wir zunächst den Tragflächenabstandshalter für zwei AOA (10◦ und 30°), bezeichnet als A-10 bzw. A-30, mithilfe der 3D-Drucktechnologie entworfen und hergestellt. Die vorgeschlagenen Tragflächen-Abstandshalter-Designs werden dann auf elementarer Ebene numerisch bewertet und mit einem kommerziellen Abstandshalter, der als COM bezeichnet wird, verglichen. Anschließend werden die Abstandshalter experimentell in einem Cross-Flow-UF-Aufbau im Labormaßstab hinsichtlich der Permeatflussproduktion und des Energieverbrauchs untersucht. Ihr Potenzial zur Reduzierung der Biofouling-Entwicklung auf der Membranoberfläche wurde vor Ort mithilfe der optischen Kohärenztomographie (OCT) weiter bewertet.

Zwei Tragflächenabstandshalter (A-10 und A-30) und ein kommerzieller Abstandshalter (COM) wurden mithilfe von CAD-Modellen in der SolidWorks-Software (Dassault Systemes SolidWorks Corporation, Version 2018) entworfen. Ihre Abmessungen sind in Abb. 1 zusammengefasst. Die beiden entworfenen Tragflächenabstandshalter hatten eine Leiterorientierung. Ihr Design besteht aus zwei parallelen tragflächenförmigen Filamenten, die durch dünne zylindrische Filamente verbunden und durch säulenartige Knoten verstärkt sind, die die Membran tragen. Die gleichen geometrischen Eigenschaften wurden für Tragflächenabstandshalter beibehalten, mit Ausnahme der AOA der Tragflächenfilamente, die der ankommenden Strömung zugewandt sind. Die Neigungswinkel betrugen 10° bzw. 30° für A-10- und A-30-Abstandshalter. Die Dicke aller Abstandshalter war ähnlich und so festgelegt, dass sie die Kanalhöhe von 1,2 mm ausfüllte. Die Abstandshalter wurden Schicht für Schicht (Schichtdicke = 50 µm) durch Photopolymerisation von Acrylatmonomeren (Wellenlänge = 405 nm) unter Verwendung eines 3D-Druckers auf Basis einer Low Force Stereolithography (LFS)-Technologie (Formlabs, Modell Form 3) hergestellt.

CAD-Designs und Fotos der 3D-gedruckten Abstandshalter: COM-Abstandshalter (A), A-10-Abstandshalter (B) und A-30-Abstandshalter (C). Die roten Pfeile stellen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit dar. Die Maße sind in mm angegeben.

Die vorbereitete Futterlösung enthält 4 g Bacto-Hefeextrakt (Extrakt aus autolysierten Hefezellen, Becton Dickinson and Company), gelöst in 1 l Wasser aus dem Roten Meer und 24 Stunden lang bei 30 °C inkubiert, um das Wachstum von Bakterien zu fördern5. Nach der Inkubation wurde der angereicherten Bakterienlösung ein Volumen von 3 l Wasser aus dem Roten Meer zugesetzt. Das endgültige Zufuhrvolumen wurde mit einem Magnetrührer (IKA, KS 4000 i control) bei Raumtemperatur kontinuierlich bei 200 U/min gerührt und zur gleichzeitigen Zufuhr aller Durchflusszellen verwendet. Die regelmäßige Zugabe von Hefeextraktlösung (1 g/l) wurde durchgeführt, um während des gesamten UF-Prozesses ein Gesamtfuttervolumen von 4 l aufrechtzuerhalten.

Die Leistungen von Tragflächenabstandshaltern wurden experimentell in einem 72-stündigen UF-Prozess bewertet. Die experimentelle Apparatur im Labormaßstab ist in Abb. 2 beschrieben. Unter Anwendung der gleichen Betriebsbedingungen und der gleichen Zufuhrlösung wurden UF-Tests aller Abstandshalter (A-10, A-30 und COM) gleichzeitig durchgeführt. Für jeden getesteten Abstandshalter wurde eine Durchflusszelle im Querstrommodus eingesetzt. In den Zuführkanal mit einer Höhe von 1,2 mm wurden Coupons des Abstandshalters und der UF-Flachmembran (Sterlitech-Polyethersulfon, Molekulargewichtsgrenze 100 kDa) mit einer aktiven Oberfläche von 900 mm2 integriert. Letzteres wurde mit der vorbereiteten Futterlösung unter Verwendung einer Zahnradpumpe (Cole-Parmer, Modell Nr. 75211-70, Förderhöhe: N23) gespeist. Die konzentrierte Lösung wurde in den Zufuhrtank zurückgeführt. Am Einlass und Auslass der Durchflusszelle wurden in jeder Filterleitung zwei Druckmessgeräte (Ashcroft Inc., Modell Nr. 1005) angebracht, um den hydraulischen Druck (P = 1 bar) zu überwachen. Am Ausgang wurde ein Durchflussmesser (Dwyer, Modell Nr. RMB-SSV) installiert, um den gewünschten Volumenstrom (Q) von 200 ml/min zu steuern, was einer durchschnittlichen Einlassgeschwindigkeit (U0) von 0,185 m/s entspricht. Die resultierenden Querströmungsgeschwindigkeiten (U) (d. h. bestimmt durch Division von U0 durch die Porosität des Filterkanals) in den verschiedenen mit Abstandshaltern gefüllten Kanälen, die COM und Tragflächenabstandshalter enthielten, betrugen 0,208 m/s bzw. 0,231 m/s. Die Betriebsdurchflussrate und der im Filtermodul ausgeübte Hydraulikdruck wurden mithilfe eines Ventils (Swagelok, Modell Nr. SS-1VS4) am Zufuhrauslass eingestellt. Das Gewicht des gesammelten Permeatflusses wurde automatisch alle 5 Minuten über eine digitale Waage (Mettler-Toledo, Modell Nr. MS3002S) aufgezeichnet, die an ein Datenerfassungssystem (National Instruments, LabVIEW) angeschlossen war. Der anfängliche Druckabfall, der sich aus der Abstandhalterkonstruktion ergab, wurde vor Beginn des Filtrationsprozesses mit einem Differenzdrucktransmitter (Omega Engineering, Modell Nr. PX5200 M5091/0112) über den Filtrationskanal gemessen.

Experimenteller UF-Aufbau in Verbindung mit den verschiedenen verwendeten Instrumenten.

Zur Visualisierung und Quantifizierung des im Filterkanal entwickelten Biofilms wurde die optische Kohärenztomographie (OCT) (Thorlabs, Hyperion) eingesetzt. Dreidimensionale (3D) OCT-Bilder wurden auf Membranoberflächen für junge und reife Biofilme nach 24 bzw. 72 Stunden Filtrationsfortschritt aufgenommen. Die OCT-Sonde wurde genau an den Stellen (8 mm × 15 mm vom Zufuhreinlass entfernt) der verschmutzten Membranen befestigt, die mit den getesteten Abstandshaltern ausgestattet waren. Für alle Bilder wurde der gleiche gescannte Bereich von 0,49 mm × 0,44 mm mit einer Tiefe von 1,35 mm entlang der Richtung der x-z-Ebene und einer Auflösung von 496 × 145 × 167 Pixel beibehalten. Ebenso blieben die Scanparameter unverändert: A-Scan-Rate = 127 Hz, zentrale Wellenlänge = 930 nm und Brechungsindex = 1,35.

Die erfassten 3D-OCT-Bilder wurden mit der AVIZO-Software (Field Electron and Ion Company, Hillsboro, OR, USA) nachbearbeitet, wobei mehrere Sequenzen (d. h. Volumenrendering, Farbkartenintensität und Farbsystemanpassung) implementiert wurden, um ein klares Ergebnis zu erzielen Visualisierung der Biomasse-/Membranstruktur. Die auf der Membranoberfläche entwickelten Biomassevolumina wurden durch Verarbeitung von 3D-OCT-Bildern in mehreren Sequenzschritten über AVIZO bestimmt, einschließlich interaktiver Schwellenwerte, Volumenrendering, Membranstruktursubtraktion, Bildsegmentierung und statistischer Berechnung des Biomassevolumens durch Auswahl der entsprechenden Pixelzonen die Biomasse28.

Die Leistung von Tragflächenabstandshaltern im UF-System im Labormaßstab wurde anhand der Flussmittelproduktion und des Energieverbrauchs im Vergleich zum kommerziellen Abstandshalter bewertet. Die zugehörigen Filtrationsparameter wurden nach den Gleichungen berechnet. (1), (2), (3), (4), (5), (6) und (7).

Der erzeugte Permeatfluss J (LMH) wurde berechnet durch:

Dabei ist m (kg) das Gewicht des produzierten Wassers, A die aktive Oberfläche der Membran (m2) und t (h) die Filtrationszeit.

Der Gesamtwiderstand Rt (m−1) stellte die Summe der Widerstände dar, die sich aus der Membranstruktur und der auf der Membranoberfläche entwickelten Verschmutzungsschicht ergeben. Es wurde durch die folgende Gleichung bestimmt;

Für diese Gleichung ist P (mPa) der angelegte Transmembrandruck und µ (mPa.s) die Viskosität der Flüssigkeitszufuhr.

Der prozentuale Anteil der Flussmittel- und Gesamtwiderstandsverbesserung von Tragflächen-Abstandshaltern wurde im Vergleich zum handelsüblichen Abstandshalter bewertet und berechnet durch:

wobei J- und Rt-Werte jeweils dem Fluss und dem Gesamtwiderstand entsprechen, die unter stationären Bedingungen aufgezeichnet wurden.

Die Porosität (ф) des Filterkanals, der mit jedem getesteten Abstandshalter ausgestattet war, wurde wie folgt bestimmt;

Dabei sind Vspacer (m3) und Vchannel (m3) das Abstandshaltervolumen bzw. das Filterkanalvolumen.

Die anfänglichen Druckabfallgradienten, die sich aus der Integration des Abstandshalters in den Zufuhrkanal ergeben, wurden durch ΔP/ΔL (mbar/m) definiert, wobei ΔP (mbar) der Differenzdruck über dem Zufuhrkanal ist, der vom Differenzdrucktransmitter gemessen wird (wie in Abb . 2) und ΔL (m) ist die Zuführkanallänge.

Der Energieverbrauch E (kW) wurde als die Energie definiert, die das gesamte Filtersystem zur Erzeugung des Permeatflusses verbraucht. Sie wurde durch die Zufuhr- und Permeatvolumenströme bestimmt, die mit dem Druckabfall im Zusammenhang mit der Abstandshalterkonstruktion verbunden sind17. Der Energieverbrauch auf der Permeatseite wurde als vernachlässigbar angenommen, da die Zirkulation des Permeatflusses von der Durchflusszelle zum Permeattank im Wesentlichen durch die Schwerkraft bestimmt wurde. E (Watt) wurde wie folgt geschätzt;

Dabei ist Q (m3/s) die volumetrische Zufuhrdurchflussrate, ΔP (N/m2) der anfängliche Druckabfall im Zufuhrkanal und ɳ stellt den Wirkungsgrad der Zufuhrpumpe dar, der für alle UF-Experimente als voll angenommen wird (ɳ = 100 %).

Der spezifische Energieverbrauch SEC (kW.h/m3) wurde als die Energie betrachtet, die das Filtersystem aufwendet, um eine Einheitsflussmenge17 zu erzielen, die gegeben ist durch:

wobei Qp (m3/h) den volumetrischen Permeatdurchfluss unter stationären Bedingungen darstellt.

Die Hydrodynamik der Filterkanäle mit verschiedenen getesteten Abstandshaltern wurde mithilfe direkter numerischer Simulationen (DNS) berechnet, wobei sich die Strömung im laminaren Zustand (stationär oder instationär) befand, um die räumliche und transiente Flüssigkeitsströmungsverteilung aufzulösen. Die Berechnungen wurden für zwei ganze und zwei halbe Spacerzellen durchgeführt. Der verwendete numerische Ansatz war in der Lage, Navier-Stokes-Gleichungen genau zu lösen, ohne turbulente Modelle zu integrieren. Die verwendete numerische Methodik wird in unserer vorherigen Studie29 vorgestellt. Die Einzelheiten zum Rechenbereich und zur Netzkonvergenz finden Sie im Dokument „Supplementary Information (SI)“. Es wurde angenommen, dass die Flüssigkeit Newtonsche Eigenschaften aufweist und die Membranoberfläche als feste Wand betrachtet wurde. Die Randbedingung „Rutschfest“ wurde unter der Annahme undurchlässiger Wände angewendet, da Geschwindigkeitskomponenten in der Nähe der Membran für einen kleinen Rechenbereich vernachlässigbar sind29. Unter Berücksichtigung der Symmetrie und Replikation von Abstandszellen wurden periodische Randbedingungen in Spannweitenrichtung festgelegt.

Alle maßgeblichen Gleichungen und entsprechenden Randbedingungen wurden in einem Finite-Volumen-Framework mit dem kommerziellen Löser ANSYS Fluent 2020 R1 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) gelöst. Der Rechenbereich wurde in 12,6 Millionen Kontrollvolumina diskretisiert. Für die räumliche und zeitliche Diskretisierung wurden Formulierungen zweiter Ordnung verwendet. Der konvektive Term in der Druckformulierung wurde durch Anwendung des QUICK-Ansatzes (Quadratic Upstream Interpolation for Convective Kinematics)30 diskretisiert. Zur Kopplung der Druck-Geschwindigkeit wurde der PISO-Algorithmus (Pressure Implicit with Split Operator)31 verwendet. Aufgrund einer großen Anzahl diskretisierter Gleichungen wurden alle Simulationen mit 1024 Kernen auf einem Intel Haswell-Prozessor (2 CPU-Sockel pro Knoten, 16 Kerne pro CPU, 2,3 GHz mit 128 GB Speicher pro Knoten) durchgeführt, wie von der KAUST angeboten Supercomputing-Einrichtung (SHAHEEN II)32.

Wesentliche Hydrodynamiksimulationen, gefolgt von einer experimentellen UF-Leistungsbewertung, wurden für Tragflächenabstandshalter sorgfältig untersucht und mit dem kommerziellen Abstandshalter verglichen.

Vor der Durchführung der Filtrationsexperimente wurde eine numerische Analyse durchgeführt, um einen Indikator für die Filtrationsleistung zu liefern.

Der Druckabfall im Querstrom in einem mit Abstandshaltern gefüllten Kanal ist ein wichtiger Parameter bei der Konstruktion eines Feed-Abstandshalters, da der spezifische Energieverbrauch des Filtersystems stark von den geometrischen Abstandshaltereigenschaften abhängt17,33. Ein größerer anfänglicher Druckabfall würde einen höheren Energieverbrauch der Pumpe erfordern, um die Zufuhrlösung durch das Membranmodul zu drücken. Dieses Szenario wird noch schwerwiegender, wenn mit der Entwicklung der Filterung Biofouling innerhalb des Kanals auftritt und der Druckabfall zunimmt, was zu einem höheren Energieverbrauch führt. Somit sorgt ein optimales Abstandshalterdesign für einen geringen Druckabfall des Filterkanals. Gleichzeitig erzeugt das entsprechende Abstandshalterdesign eine instationäre lokale Hydrodynamik, die für das Wachstum von Biofouling ungünstig ist5.

Vor Beginn des UF-Prozesses wurde der Druckabfall im Querstromkanal für jeden Abstandshalter geschätzt, um den Einfluss der Abstandshalterkonstruktion auf den Druckverlust im Filterkanal ohne Beeinträchtigung durch den Fouling-Effekt zu untersuchen. Abbildung 3A zeigt den Vergleich der Druckabfallgradienten als Funktion der durchschnittlichen Einlasszufuhrgeschwindigkeit des Kanals für die Tragflächenabstandshalter. Zum Vergleich werden COM-Spacer und Pillar-Spacer vorgestellt, die von Ali et al.17 entwickelt wurden und die gleiche Kanaldicke von 1,2 mm aufweisen. Der COM-Abstandshalter hatte den minimalen Druckabfallgradienten im gemessenen Bereich der Einlasszufuhrgeschwindigkeit (U0 = 0,046–0,277 m/s, Re = 55,2–332,4), gefolgt von Tragflächen-Abstandshaltern und dann Säulen-Abstandshaltern. Der Abstandshalter A-10 hatte einen geringeren Druckabfall als der Abstandshalter A-30. Obwohl es keinen Unterschied zwischen den Abmessungen der Tragflächenabstandshalter gab, erzeugte der A-30-Abstandshalter eine höhere hydrodynamische Widerstandskraft als der stromlinienförmige A-10-Abstandshalter, was zu einem höheren Druckabfallgradienten führte. Wenn der ankommende Zufluss in den Filterkanal eintritt, der dem Tragflächenfilament mit höherem AOA zugewandt ist, neigt der A-30-Abstandshalter dazu, den ankommenden Strom stärker zu behindern als der A-10-Abstandshalter, was zu einer größeren Flüssigkeitswiderstandskraft führt.

Experimentelle Variation der differenziellen anfänglichen Druckabfallgradienten als Funktion der Einlasszufuhrgeschwindigkeit zusammen mit der Porosität der in die verschiedenen Abstandshalter integrierten Kanäle vor dem Biofouling-Wachstum (A), Vergleich ihrer entsprechenden experimentellen und numerischen differenziellen Druckabfallgradienten bei durchschnittlicher Einlasszufuhr Geschwindigkeit von U0 = 0,185 m/s (B).

Bei fester Kanalhöhe weist das Abstandshalterdesign, das einen geringeren Druckabfall erzeugt, eine hohe Kanalporosität und dadurch eine geringere Querströmungsgeschwindigkeit für eine konstante Einlasszufuhrgeschwindigkeit auf34. In Übereinstimmung mit diesem Ansatz zeigte Abb. 3A, dass mit zunehmender Kanalporosität der Druckabfallgradient bei gleicher Kanalhöhe abnahm. Obwohl das kommerzielle Abstandshalterdesign einen geringeren Druckabfall aufwies als das Tragflächendesign, wurde eine geringere Querströmungsgeschwindigkeit im kommerziellen, mit Abstandshaltern gefüllten Kanal weiter gefördert (U = 0,208 m/s gegenüber 0,231 m/s beim Tragflächendesign). Folglich wurde unabhängig vom AOA-Wert mit einer höheren Permeatflussproduktion bei Verwendung von Tragflächenabstandshaltern gerechnet. Darüber hinaus veränderten Tragflächenabstandshalter mit derselben Kanalporosität (dh derselben Querströmungskanalgeschwindigkeit) den Druckabfall aufgrund der unterschiedlichen hydrodynamischen Widerstandskräfte, die durch die Variation der AOA (10° und 30°) erzeugt wurden, erheblich. Interessanterweise kann die Gestaltung des Tragflächenabstandshalters den Kanaldruckabfallgradienten manipulieren und dadurch den Energieverbrauch steuern, indem nur der lokale hydrodynamische Widerstand variiert wird, der durch die Änderung der AOA induziert wird, ohne dass die Querströmungsgeschwindigkeit im Filterkanal gestört wird.

Zur Validierung des numerischen Modells wurden numerische Berechnungen an kommerziellen Abstandshaltern und Tragflächenabstandshaltern durchgeführt. Abbildung 3B vergleicht die numerischen und experimentellen Druckabfallgradienten bei U0 = 0,185 m/s (durchschnittliche Einlassgeschwindigkeit bei UF-Tests). Das numerische Modell erfasste den experimentellen Druckabfall für COM-Abstandshalter genau und einigermaßen gut für A-10 mit einer Fehlerabweichung von weniger als 3 %. Bei A-30 variierte der Vergleich jedoch um 7 %. Diese größere Variation zwischen experimentellen und numerischen Druckabfallwerten für A-30-Abstandshalter war hauptsächlich mit instationären hydrodynamischen Bedingungen im Gegensatz zu den anderen Abstandshaltern verbunden (anschließend im Abschnitt „Hydrodynamische Bedingungen auf elementarer Ebene des Tragflächenabstandshalters“ demonstriert). Unter instationären hydrodynamischen Bedingungen ist die räumliche und zeitliche Mittelung des Durchflusses von entscheidender Bedeutung und führt häufig zu vergleichsweise größeren Fehlern35,36, wie sie beim A-30-Abstandshalter beobachtet werden. Darüber hinaus können aufgrund geringfügiger Dimensionsabweichungen beim 3D-Druck die numerische Vernetzung komplizierter Abstandshalterdesigns sowie Lesefehler der an den Experimenten beteiligten Geräte insgesamt zu Validierungsfehlern beitragen.

Obwohl sich das Design des Abstandshalters in erster Linie auf die Erhöhung der Porosität des Kanals durch Verringerung des Filamentquerschnitts konzentriert, wird auch die Wahrscheinlichkeit verringert, dass lokale Hydrodynamiken zu instationären Bedingungen führen, was ein höheres Potenzial für das Wachstum von Biofilmen begünstigt5,37. Wie beobachtet, erzeugten COM-Abstandshalter einen geringeren anfänglichen Druckabfall als Tragflächen-Abstandshalter. Es ist jedoch bekannt, dass das COM-Abstandhalterdesign bei typischen Filtrationsbetriebsbedingungen stabile hydrodynamische Bedingungen aufweist38 und daher ein höheres Biofouling begünstigt wird39. Mit der Konstruktion von Tragflächen-Abstandshaltern kann der hydrodynamische Widerstand oder Druckabfall durch Variation der AOA gut kontrolliert werden, ohne die Kanalporosität zu verändern, was einen zusätzlichen Kontrollparameter bei der Entwicklung neuartiger und effizienter Feed-Abstandshalter bietet.

Das Verständnis der lokalen Hydrodynamik auf elementarer Ebene ist ein wesentlicher Bestandteil bei der Entwicklung des neuen Abstandshalters. Wenn die Flüssigkeitseinlassgeschwindigkeit konstant gehalten wird, verändert das Abstandshalterdesign die lokale Geschwindigkeit innerhalb des Kanals erheblich, was zu unterschiedlichen hydrodynamischen Scherspannungen auf der Membranoberfläche führt5,17,33. Eine hohe räumliche Scherbeanspruchung der Membran trägt zur Minimierung der Konzentrationspolarisation bei40. Dies ist jedoch nachteilig für Vorfiltrationsprozesse (wie UF oder NF), die auf biologisch aktiven Zufuhren basieren, wo örtlich hohe Scherspannungen die Bildung von Biofilmen auf Membranoberflächen begünstigen5. Daher muss je nach Anwendung ein geeignetes Abstandhalterdesign auf elementarer Ebene abgestimmt werden, um die Filtrationsleistung deutlich zu steigern.

Abbildung 4A zeigt die zeitliche Variation der x-Geschwindigkeit als Funktion der Zeit an einem bestimmten räumlichen Ort hinter dem Filamentschnittpunkt innerhalb des Rechenbereichs für alle Abstandshalter. Als sich die Strömung vollständig entwickelt hatte, konnte anhand des zeitlichen Signals der numerischen Sonde gesehen werden, dass die Strömung im Kanal mit COM-Abstandhalter stabil war. Beim A-10-Abstandshalter hingegen war der Fluss immer noch stabil mit minimaler Störung im Zeitsignal. Andererseits zeigte der A-30-Abstandhalter deutlich eine starke instationäre Strömung innerhalb des Kanals.

Zeitliches Verhalten der x-Geschwindigkeitskomponente für eine numerische Sonde, die im Berechnungsbereich bei (X = 8 mm, Y = 0,05 mm, Z = 4 mm) und (X = 10,35 mm, Y = 0,05 mm, Z = 2,56 mm) für das Tragflächenprofil platziert ist bzw. kommerzielle Abstandshalter (A) und schematische Darstellung der Strömungsstromlinie für verschiedene AOA bei niedriger Reynolds-Zahl (B).

Die aerodynamische Leistung von Tragflächen und stromlinienförmigen Körpern ist eine starke Funktion des laminar-instationären Übergangs und folglich der kritischen Reynolds-Zahl (Re). Bei Filtrationsprozessen sind die Kanalströmungsgeschwindigkeiten (oder Re) jedoch aufgrund betrieblicher Einschränkungen meist festgelegt. Um einen instationären Strömungsübergang im Filterkanal zu erreichen, ist die AOA ein entscheidender zu berücksichtigender Parameter. Tatsächlich deuten aerodynamische Studien41 bei niedrigen Re-Zahlen darauf hin, dass der Beginn des instationären Übergangs auf die Strömungsablösungsblase zurückzuführen ist, die durch das Auftreffen der Scherschicht auf die obere Wölbung des Flügelprofils ausgelöst wird. Bei AOA < 5◦ ist die Strömungsablösungsblase nicht sichtbar und die einströmende Strömung löst sich an der Vorderkante, indem ein Stagnationspunkt (höchster Druckpunkt) entsteht. In diesem Szenario erfolgt die Wiederanbringung der Stromlinien nahe der scharfen Hinterkante des Schaufelblatts (Abb. 4B). Wenn die AOA zunimmt, bewegt sich der Ablösepunkt nach unten in Richtung der unteren Wölbung, während sich der Strömungswiederbefestigungspunkt nach oben in Richtung der oberen Wölbung des Strömungsprofils bewegt. Abhängig von der Re-Zahl erscheint die Strömungsablösungsblase bei AOA > 5°. Bei einer sehr niedrigen Re-Zahl sorgt die gebildete Ablöseblase nahe der Hinterkante für kleine Strömungsstörungen. Wenn die AOA weiter erhöht wird, destabilisiert sich die Trennblase und führt letztendlich zu einem Haarausfall vom Von-Karman-Typ42. Bei einer angemessenen Re-Zahl geht die Strömung vollständig in einen instationären Zustand über, dessen Intensität von der Re-Zahl abhängt.

Wie bereits erwähnt, wurden ähnliche hydrodynamische Übergänge für die Tragflächen-Abstandsfilamente beobachtet. Abbildung 5A zeigt die Stromlinien in der Mittelebene der Tragflächenabstandshalter. An der Hinterkante des A-10-Abstandshalters war deutlich eine kleine Ablösungsblase sichtbar, während bei A-30 die Ablösungsblase wuchs und sich von der Hinterkante entfernte und schließlich in einen instabilen Kurs überging, wie im Zeitsignal des numerischen Geräts zu sehen ist Sonde (Abb. 4A).

Streamtrace-Muster, die mithilfe numerischer Berechnungen auf der (B), A-10-Abstandshalter (C) und A-30-Abstandshalter (D). Das linke Bild jeder Gruppe ist das Konturdiagramm auf der X-Y-Ebene in der Mitte des Kanals und das rechte Bild ist die Kontur auf der unteren Ebene sehr nahe an der Wand. Das mittlere Bild wird für Konturen in verschiedenen Y-Z- und X-Z-Ebenen aufgenommen.

Um die lokalen hydrodynamischen Bedingungen zu untersuchen, die innerhalb einer Elementarzelle auftreten, wurden Konturen der Strömungsgeschwindigkeitsgröße an verschiedenen Schnitten innerhalb des Rechenbereichs aufgetragen, wie in den Abbildungen dargestellt. 5B–D für verschiedene Abstandshalter. Bei allen Abstandshaltern nahmen die Geschwindigkeitsgrößen lokal unter den Abstandshalterfilamenten zu und erfüllten die Massen- und Impulserhaltung, die proportional zu den Freiraumbereichen und Querschnittsformen des Filaments waren5,17.

Der kommerzielle Abstandshalter erzeugte aufgrund eines Vliesdesigns ein asymmetrisches Strömungsfeld (Abb. 5B). In der Mittelebene wurde eine geringe Geschwindigkeitsgröße hinter den Filamenten aufgrund rezirkulierender Wirbel beobachtet, die typischerweise hinter den Staukörperströmungen zu sehen waren43. Im Zentrum der Abstandshalter-Filamentzelle fusionierte die durch die asymmetrische Filamentverbindung getrennte einströmende Strömung und nahm an Geschwindigkeit zu. In der wandnahen Ebene wurde eine Magnitude geringer Geschwindigkeit beobachtet.

Beim A-10-Abstandshalter (Abb. 5C) wurde die einströmende Strömung durch die Vorderkante des Tragflächenquerschnitts abgelöst, und aufgrund des begrenzten Raums zwischen der Tragflächenwölbung und den oberen und unteren Wänden erhöhte sich die lokale Strömungsgeschwindigkeit und erreichte a höhere Geschwindigkeitsgröße (~ 0,6 m/s), um die Massenerhaltung zu erfüllen. Beim A-30-Abstandshalter wurde der Abstand weiter verringert. So konnte in diesem Fall ein deutlicher Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit (~ 1 m/s) insbesondere in Wandnähe festgestellt werden (Abb. 5D). In der Mittelkanalebene des A-10-Abstandhalters (Y-Z- und X-Y-Ebene) wurde unter stabilen Bedingungen eine höhere Geschwindigkeitsgröße beobachtet. Im Vergleich dazu war die Geschwindigkeitsgröße beim A-30-Abstandshalter geringer, instationäre Effekte nahmen jedoch entlang der Strömungsrichtung von einer Zelle zur anderen zu. Grundsätzlich wurde erwartet, dass der Kanal bei der Verwendung von mehr Durchflusszellen letztendlich in einen instationären Zustand bei einer AOA von 30° übergehen würde. Die geringste Strömungsstärke wurde in beiden Fällen hinter der Säule festgestellt, die durch ein zylindrisches Filament befestigt war. Der A-30-Abstandshalter hatte jedoch einen zusätzlichen Vorteil, der durch instabiles Verhalten erzielt wurde. Das Mischen und Ablösen von Wirbeln (einschließlich der von zylindrischen Säulen erzeugten Wirbel) lieferte genügend Impuls, um die Zonen mit niedriger Geschwindigkeit aktiv zu durchstreifen. Dies kann sich leicht in der Annahme äußern, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sich Schmutzablagerungen bei A-30-Abstandshaltern ablagern, geringer ist als bei A-10-Abstandshaltern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Tragflächenabstandshalter aufgrund der geringeren Kanalporosität, die durch das Design erzeugt wird, eine höhere Querströmungsgeschwindigkeit bietet, was einen Anstieg des Permeatflusses im Vergleich zum kommerziellen Design vorhersagt. Darüber hinaus ist eine Erhöhung der AOA im Tragflächendesign (dh eine Erhöhung des Druckabfalls) erforderlich, um einen instationären Strömungszustand im Filterkanal zu erzeugen, wie im Fall des A-30-Abstandshalters gezeigt. Aufgrund der durch die AOA-Erhöhung verursachten Instabilität ist daher eine Verbesserung der Filtrationsleistung und eine Verringerung der Verschmutzung auf Kosten des Energieverbrauchs zu erwarten. Daher ist die Bestimmung des spezifischen Energieverbrauchs (wird später im Abschnitt „Permeatflussproduktion und relativer Energiebedarf bei der Filtration“ erläutert) von entscheidender Bedeutung, um die Gesamtvorteile der Verwendung von Schaufelblatt-Abstandshaltern im Vergleich zu kommerziellen Abstandshaltern zu bewerten.

Lokalisierte räumliche Strömungsprofile wurden an kritischen Stellen aus dem 3D-Berechnungsfeld extrahiert, wie in Tabelle 1 dargestellt. Für alle Abstandshalter wurden die räumlichen Linien L1 und L3 an ähnlichen Stellen in zwei benachbarten Filamentzellen in Z-Richtung auf mittlerer Kanalhöhe platziert. wohingegen sich L2 und L4 an Stellen nahe der Wand (oder Membranoberfläche) befanden (Abb. 6A, B).

Lokale Elementarströmungsprofile, berechnet an verschiedenen Orten innerhalb des Berechnungsbereichs. Räumliche Positionen des Strömungsprofils an verschiedenen Orten für COM-Abstandshalter (A) und Tragflächenabstandshalter (B), x-Geschwindigkeitskomponente der Strömung entlang des Strömungsprofils für COM-Abstandshalter (C), A-10-Abstandshalter (D) und A-30 Abstandshalter (E) und Grenzschichtprofile für alle Abstandshalter in der Mitte der Abstandshalterzelle (F).

Bei kommerziellen Abstandshaltern unterscheidet sich die lokale Hydrodynamik geringfügig von der bei Tragflächenabstandshaltern (Abb. 6C). Für die Linien L1 und L3 erreichte die maximale Größe der x-Geschwindigkeit entlang der Stromrichtung zwischen 0,3 und 0,4 m/s, etwas weniger als A-10-Abstandshalter (0,4–0,5 m/s) (Abb. 6D). Darüber hinaus stimmten die Profile von L1 und L3 nicht überein (wie im A-10-Abstandshalter zu sehen), selbst wenn die Strömung im Kanal stabil war. Dies wird auf die durch das Vliesdesign erzeugte Asymmetrie zurückgeführt. Die x-Geschwindigkeitsgröße der L4-Position nahe der Membranoberfläche war ungefähr ähnlich der des A-10-Abstandshalters. Allerdings hatte das Strömungsprofil L2 entlang der Filamentkreuzung eine geringere x-Geschwindigkeitsgröße mit leicht negativer x-Geschwindigkeit.

Für den A-10-Abstandshalter (Abb. 6D) überlappte sich das x-Geschwindigkeitsprofil entlang der Raumlinie L1 und L3, was eindeutig auf das Vorhandensein eines stationären Zustands in den angrenzenden Flusszellen hindeutet. Am räumlichen Ort L4 wurde der Flüssigkeitsimpuls aufgrund der kleinen AOA von 10◦ zur Wand umgelenkt, wodurch die Größe der x-Geschwindigkeit zunahm. Der Standort L4 hatte eine geringere Geschwindigkeitsgröße (0,3–0,4 m/s) als der mittlere Standort L3 oder L1, der offenbar die höchste lokale Geschwindigkeit von ~ 0,4–0,5 m/s in den Abstandszellen aufwies. Die niedrigste Geschwindigkeit wurde hinter den Säulen an der L2-Position beobachtet, wo negative Werte der x-Geschwindigkeit auf das Vorhandensein eines stetigen Wirbels hindeuteten, der der potenzielle Ort für die Ansammlung von Verschmutzungen zu sein scheint.

Beim A-30-Abstandshalter (Abb. 6E) wurde der ankommende Flüssigkeitsimpuls effektiv zur Membranoberfläche umgeleitet. Die räumlichen Positionen L1 und L3 überschnitten sich nicht, was eindeutig auf das Vorhandensein einer instationären Strömung schließen lässt. An der Stelle L4 wurde eine deutliche Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht, da der Spalt zwischen der Hinterkante des Schaufelblatts näher an die Wand heranrückte, wodurch sich die Querschnittsfläche der Strömung verringerte und somit die Größe der lokalen x-Geschwindigkeit deutlich anstieg. In diesem Fall wurde die höchste Geschwindigkeit am Standort L4 beobachtet, mit Werten zwischen 0,8 und 1 m/s. Darüber hinaus zeigte die Strömung hinter der Säule (L2-Position) eine größere negative x-Geschwindigkeit, wobei sich die Profile in jeder nachfolgenden Abstandszelle änderten. Es deutet darauf hin, dass sich der Wirbel hinter der Säule löste und über die Wand hinter den Säulen hinwegfegte. Im Prinzip ist dies ideal für Filtrationszwecke, da es keine Verschmutzung hinter der Säule zulässt, was zu einer verbesserten Filtrationsleistung führt.

Im Gegensatz zum handelsüblichen Abstandshalterdesign bleibt der Betrag der x-Geschwindigkeit an derselben Stelle L2 in der Spannweitenrichtung im Allgemeinen negativ, was darauf hindeutet, dass sich der Wirbel hinter der Tragflächen-Abstandshaltersäule über ein größeres Volumen erstreckt als der handelsübliche Abstandshalter. Aus hydrodynamischer Sicht sind instationäre Wirbel vorteilhaft, da sie eine oszillierende Scherspannung auf der Membranoberfläche erzeugen, die zur Reinigung oder Verzögerung des Biofilmwachstums beiträgt5.

Die Grenzschichtprofile für die drei Abstandshalter wurden ebenfalls extrahiert, um die Variation der lokalen Geschwindigkeit entlang der Kanalhöhe zu bewerten (Abb. 6F). Das Grenzschichtprofil wurde in der Mitte der Abstandsfilamentzelle entlang der Linie L5 extrahiert, wie in Abb. 6A, B dargestellt. Die höchsten lokalen x-Geschwindigkeitswerte wurden für den A-30-Abstandshalter gefunden, gefolgt vom A-10-Abstandshalter und dann für den COM-Abstandshalter. Die Erhöhung der AOA im Design des Tragflächenabstandshalters erzeugt ein höheres lokales Geschwindigkeitsfeld, was für die Entfernung von Verschmutzungen und die Abschwächung der Konzentrationspolarisation von Vorteil sein kann. Allerdings geht eine höhere AOA mit einem höheren hydrodynamischen Widerstand einher, der möglicherweise mehr Filterenergie verbraucht. Ein optimaler AOA hängt idealerweise von der Futterart, dem Filtrationsprozess und den Prozessbedingungen ab.

Der vorgeschlagene Tragflächenabstandshalter ist in erster Linie darauf ausgelegt, die Filtrationsleistung zu verbessern und das Wachstum von Biofilmen grundsätzlich zu kontrollieren. Daher ist das Verständnis der räumlichen Scherspannungsverteilung in einem numerischen Rahmen von wesentlicher Bedeutung. Abbildung 7 zeigt die räumliche Schubspannungsverteilung für alle Abstandhalter bei einer gleichmäßigen Eintrittsgeschwindigkeit von Uo = 0,185 m/s.

Berechnete Scherspannungskonturen für COM-Abstandshalter (A), A-10-Abstandshalter (B) und A-30-Abstandshalter (C) an der unteren Wand des Rechenbereichs.

Bei Tragflächenabstandshaltern war die Schubspannungsverteilung im Vergleich zu kommerziellen Abstandshaltern symmetrisch über jede Abstandshalterzelle verteilt. Da der COM-Abstandhalter aus Vliesstoff besteht, berührt nur eine Schicht des Filamentstrangs die Wand (oder Membran), während die andere Filamentschicht die gegenüberliegende Wand stützt, was zu einer asymmetrischen Scherspannungsverteilung auf der Membranoberfläche führt (Abb. 7A). Die höchste Scherspannung wurde bei allen Abstandshaltern unter dem Filament beobachtet. Bei Tragflächenabstandshaltern (Abb. 7B, C) war die Scherspannung gleichmäßiger und gleichmäßiger verteilt. Beim A-10-Abstandhalter war ein leichter Anstieg der Scherspannung an den Seiten der Mittelsäule (Abb. 7B) sowie an der räumlichen Stelle, an der sich die Hinterkante befand, sichtbar. Die Größe der Scherspannung unter dem Tragflächenfilament des A-10-Abstandhalters war ähnlich wie beim COM-Abstandhalter (8–16 N/m2). Der zentrale Bereich der Abstandshalterzelle wies jedoch eine relativ höhere Scherspannung beim A-10-Abstandshalter auf (6–7 N/m2) im Vergleich zum COM-Abstandshalter (3–4 N/m2).

Andererseits zeigte der A-30-Abstandhalter einen relativ hohen Scherspannungswert unter den Filamenten (34–40 N/m2). Der zentrale Bereich der Abstandszelle wies auch einen höheren Wert der oszillierenden Scherspannung auf (10–14 N/m2). Hohe Werte der Scherspannung auf der Membranoberfläche können den anfänglichen Biofouling schneller auslösen5,37,44. Da der lokale Fluss für den A-30-Abstandhalter jedoch völlig instabil war, würde er das Bakterienwachstum verhindern/verzögern.

Nach der Bewertung der elementaren Leistung der Tragflächenabstandshalter wurden diese weiter experimentell bewertet, um die UF-Leistung und die Anti-Biofouling-Neigung zu messen.

Abbildung 8 zeigt die Variation des Permeatflusses, des Gesamtwiderstands und des Energieverbrauchs bei Verwendung von Schaufelblättern und kommerziellen Abstandshaltern im UF-Verfahren. Bei allen getesteten Abstandshaltern konnte der Flussrückgang durch zwei wesentliche Phasen beschrieben werden: einen starken Abfall in der frühen Filtrationsperiode, gefolgt von einer stationären Phase (Abb. 8A). In der frühen Filtrationsphase nahm der Permeatfluss aufgrund einer Verstopfung der Membranporen, die mit der Ablagerung einer anfänglichen Verschmutzungsschicht auf der UF-Membranoberfläche einherging, schnell ab45. Mit zunehmender Dicke der Verschmutzungsschicht wurde die Flussreduktionsrate langsamer, um den stationären Ansatz zu erreichen46,47. Wie in Abb. 8A zu sehen ist, war für den A-30-Abstandhalter im Vergleich zu den anderen Abstandhaltern eine längere Filtrationszeit (≈ 45 Stunden) erforderlich, um den stationären Fluss zu erreichen. Dies ist höchstwahrscheinlich auf das kontinuierliche Wegfegen von Verschmutzungen von der Oberfläche zurückzuführen48. Es wurde festgestellt, dass der letztgenannte Spacer die COM- und A-10-Spacer im Hinblick auf den Permeatfluss im stationären Zustand übertrifft. Unabhängig von der AOA der Tragflächenabstandshalter trug die Integration dieses neuartigen Abstandshalterdesigns in den Filterkanal dazu bei, die Flussmittelproduktion um 128 % bzw. 228 % für A-10 und A-30 im Vergleich zum kommerziellen Design zu steigern (Abb . 8B).

Experimentelle Leistungen von Tragflächenprofilen und kommerziellen Abstandhaltern im UF-Verfahren. Entwicklung des Permeatflusses über den UF-Fortschritt (A), die prozentuale Verbesserung der Filtrationsparameter, die durch die Verwendung von Tragflächenabstandshaltern im Vergleich zum kommerziellen Abstandshalter eingeführt wurde (B), die Gesamtwiderstandsentwicklung als Funktion der Filtrationszeit (C) und die Energieleistung ( D) für die verschiedenen getesteten Abstandhalter. Für (A) erfolgte die erste Flussmessung für alle Kurven nach 5 Minuten des Filtrationsprozesses.

Der Gesamtwiderstand (Rt) ist definiert als die Summe der Widerstände, die sich aus der Membranstruktur und dem Biofouling-Kuchen ergeben. Da in allen Tests der gleiche UF-Membrantyp verwendet wurde, wurde angenommen, dass der Membranwiderstand für alle Spacer-Fälle konstant ist. Daher wird davon ausgegangen, dass Rt den Fouling-Widerstand widerspiegelt, der sich über die Filtrationszeit aufgrund der Fouling-Entwicklung während der UF-Tests der verschiedenen Abstandshalter entwickelt. Nach Gl. (2) Rt ist umgekehrt proportional zum Fluss, der zu einem bestimmten Zeitpunkt für feste Betriebsbedingungen (Druck und Zufuhrlösung) erzeugt wird. Daher wurde vorhergesagt, dass die Verschmutzung auf der UF-Membran umso geringer ist, je höher der durch ein Abstandshalterdesign erzeugte Fluss ist. Diese Hypothese wurde durch das Diagramm in Abb. 8C bestätigt, wo der höchste Widerstand für kommerzielle Abstandshalter mit dem niedrigsten Fluss beobachtet wurde, gefolgt von A-10 und dann A-30-Abstandshaltern. Die Tragflächen-Abstandshalter reduzierten den Biofouling-Widerstand um 56 bzw. 70 % im Vergleich zum handelsüblichen Abstandshalter (Abb. 8B). Dieser Befund zeigte, dass das damit verbundene Biofouling-Potenzial bei Tragflächenabstandshaltern geringer war. Ähnlich wie beim Permeatfluss könnten die Widerstandstrends abhängig von der Steigung der Widerstandskurve in zwei Bereiche unterteilt werden. Für COM-Spacer war die Steigung während der ersten 25 Stunden am höchsten und verschob sich nach dieser Filtrationszeit allmählich zu einem niedrigeren Wert. Ähnliche Trends wurden für A-10- und A-30-Abstandhalter beobachtet, wobei die Steigungswerte weiter reduziert wurden.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Biofouling-Bildung in Gegenwart von COM- und A-10-Abstandshaltern aggressiv war, was auf die stetige Natur der Hydrodynamik (wie im Abschnitt „Hydrodynamische Bedingungen auf elementarer Ebene der Tragflügel-Abstandshalter“ erläutert) im Filterkanal zurückzuführen ist5. Im Gegensatz dazu führte die durch den A-30-Abstandshalter auf elementarer Ebene erzeugte Instabilität des Zuflusses zu einer erheblichen Verzögerung des Biofouling-Wachstums auf der Membranoberfläche5,49.

Bei gleichen Betriebsbedingungen korreliert die Energie (E), die das mit verschiedenen Abstandshaltern integrierte Filtersystem verbraucht, intrinsisch mit dem entsprechenden anfänglichen Druckabfall im Zufuhrkanal (Gleichung (6)). Normalisiert auf den COM-Abstandshalterverbrauch wurde festgestellt, dass der A-30-Abstandshalter mit dem höchsten Druckabfallgradienten (Abb. 3A) die höchste Filtrationsenergie verbraucht, wie in Abb. 8D zu sehen ist. Ein weiterer wichtiger Faktor, der für den technischen Aspekt des Abstandhalterdesigns berücksichtigt werden sollte, ist jedoch das im Filterkanal geförderte hydrodynamische Verhalten, das das Verschmutzungspotenzial und die Permeatflussproduktion bestimmt5,33,50. Daher wird die optimale Designleistung eines Abstandshalters nicht nur in Abhängigkeit von der vom Filtersystem verbrauchten Energie, sondern auch vom relativ erzeugten Permeatfluss bewertet. Anschließend wurde der Parameter des spezifischen Energieverbrauchs (SEC), der die erforderliche Energie mit dem erzeugten Flussmittel (Gleichung (7)) korreliert, untersucht, um eine genaue und umfassende Bewertung der Leistung des Abstandhalterdesigns im Filtersystem zu ermöglichen17,51. Die SEC-Werte wurden auf den COM-Abstandshalter normiert und waren für Tragflächen-Abstandshalter niedriger (Abb. 8D). Der höchste stationäre Fluss und der niedrigste Fouling-Widerstand (Abb. 8A–C) gegen den Flüssigkeitsstrom, ausgestattet mit Tragflächen-Abstandshaltern, steigerten die SEC im Vergleich zu COM-Abstandshaltern um 23 %.

Das Wachstum von Biofouling ist ein nachteiliges Phänomen in Filtrationstechnologien, das zu einer Verschlechterung der Filtrationsleistung und einem übermäßigen Anstieg der Energiekosten aufgrund des resultierenden Flussrückgangs und des Anstiegs des Kanaldruckabfalls führt52,53. Daher stellt die Kontrolle der Biofouling-Ansammlung eine erhebliche Herausforderung dar, die bei der Entwicklung eines Feed-Spacers mit neuartigen Eigenschaften berücksichtigt werden muss33. Daher wurde das Fouling-Potenzial aller Abstandshalter mithilfe der OCT-Bildgebung in frühen (24 Stunden UF) und entwickelten (72 Stunden UF) Stadien der Biofouling-Bildung untersucht (Abb. 9).

OCT-Charakterisierung von Biofouling, das sich 24 und 72 Stunden nach der Entwicklung des UF-Tests auf der Membranoberfläche entwickelte: Biofouling-Visualisierung (A) und durchschnittliches Biomassevolumen (B) in Gegenwart verschiedener getesteter Abstandshalter.

Unabhängig von der Filtrationszeit zeigten die In-situ-3D-OCT-Bilder, dass der dickste Biofouling-Kuchen mit COM-Spacer entwickelt wurde, wobei ein dichtes und heterogenes Biomassematerial sichtbar gemacht wurde, das den gesamten gescannten Bereich der Membranoberfläche bedeckte (Abb. 9A). Die entsprechenden Biomassevolumina bei verschiedenen Filtrationszeiten wurden auf 0,010 bzw. 0,015 mm3 nach 24 bzw. 72 Stunden geschätzt (Abb. 9B). Für den A-10-Abstandshalter wurde nach 24 Stunden UF eine dünne Biofoulingschicht (V Biomasse = 0,003 mm3) beobachtet, während sich die mit dem A-30-Abstandshalter ausgestattete Membran bei derselben Filtrationszeit als sauberer erwies (V Biomasse = 0,002 mm3). Mit fortschreitender Filtration (72 Stunden) wurde eine größere Biofouling-Ablagerung für beide Tragflächenabstandshalter mit Biomassevolumina von 0,006 bzw. 0,004 für A-10- und A-30-Abstandshalter festgestellt.

Die Tragflächen-Abstandshalter ermöglichten es, die Biofouling-Entwicklung auf der UF-Membranoberfläche im Vergleich zu COM-Abstandshaltern um 62 % (für A-10) und 74 % (für A-30) zu mildern. Das schnelle Bakterienwachstum in Gegenwart von COM-Spacer wurde auf die stetige Natur der Hydrodynamik innerhalb des Kanals sowie auf die geringe Scherspannung in den meisten Regionen der Membran zurückgeführt (Abschnitt „Hydrodynamische Bedingungen auf elementarer Ebene des Tragflächen-Spacers“). Obwohl auch beim A-10-Abstandhalter stabile hydrodynamische Bedingungen beobachtet wurden, war die erzeugte Scherspannung relativ höher als beim COM-Abstandhalter und gleichmäßig auf der Membranoberfläche verteilt. Dies führte zu einer geringeren Verschmutzungsbeständigkeit und einer erhöhten Flussmittelproduktion für den A-10-Abstandshalter im Vergleich zum COM-Abstandshalter (Abb. 8A–C), wobei ebenfalls stabile hydrodynamische Bedingungen auftraten. Allerdings förderte der A-30-Abstandhalter eine stärkere Flüssigkeitsinstabilität im Kanal, wodurch das Bakterienwachstum und die Verschmutzungsresistenz minimiert und die Permeatflussproduktion maximiert wurden.

In der vorliegenden Studie werden neuartige leiterförmige symmetrische Schaufelblatt-Zuführungsabstandshalter mithilfe der 3D-Drucktechnologie vorgeschlagen, entworfen und hergestellt. Die Tragflächenabstandshalter werden systematisch bewertet und mit dem kommerziellen Abstandshalterdesign (COM) verglichen, das in allen Spiralfiltrationsmodulen häufig verwendet wird. Zwei Tragflächenabstandshalter (A-10 und A-30) werden hauptsächlich durch Änderung des Anstellwinkels (AOA) von 10° auf 30° getestet. Diese Abstandshalter werden zunächst numerisch untersucht, um die lokalisierte Hydrodynamik innerhalb des Strömungskanals aufzuklären. Anschließend wurden tatsächliche 3D-gedruckte Abstandshalter experimentell für den Ultrafiltrationsprozess getestet. Die Ergebnisse dieser Studie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Je höher die AOA, desto größer ist der hydrodynamische Widerstand, der zu einem stärkeren Druckabfall führt.

Es wurde festgestellt, dass die Strömung innerhalb des Filterkanals für COM- und A-10-Abstandshalter von Natur aus stetig ist, während sie für A-30-Abstandshalter instabil ist und die höchste lokale Geschwindigkeit erzeugt.

Bei Tragflächenabstandshaltern wird eine Strömungsablösung hinter den Säulen beobachtet. Da der Wirbel bei A-30-Abstandshaltern instabil ist, kommt es kontinuierlich zu einer Wirbelablösung, was zu einer besseren Reinigung als bei COM und A-10-Abstandshaltern führt.

Die höchste schwankende Scherspannung wird für den A-30-Abstandshalter beobachtet, was zu dem geringsten Biofouling-Wachstum führt, wie durch in-situ optische Kohärenztomographie bestätigt.

Unter den gleichen Betriebsbedingungen sind die Permeatflüsse bei Tragflächen-Abstandshaltern höher, mit einem prozentualen Anstieg von 228 % bzw. 128 % für A-30 und A-10 im Vergleich zu COM-Abstandshaltern.

Der spezifische Energieverbrauch ist bei Tragflächen-Abstandshaltern im Vergleich zu COM-Abstandshaltern um 23 % geringer.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Permeatfluss

Gewicht

Filtrationszeit

Membranaktiver Bereich

Transmembrandruck

Totaler Widerstand

Flüssigkeitsviskosität

Kanalporosität

Volumen

Kanaldruckabfall

Kanallänge

Fördervolumenstrom

Permeat-Volumenstrom

Energieverbrauch

Spezifischer Energieverbrauch

Einlassgeschwindigkeit

Geschwindigkeit des Querstromkanals

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Die in diesem Artikel beschriebene Forschung wurde von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Saudi-Arabien, unterstützt. Die Autoren danken den Mitarbeitern des Water Desalination and Reuse Center (WDRC) für Hilfe, Unterstützung und Unterstützung.

Diese Arbeit wurde von der KAUST-Fakultätsbasislinie BAS/1/1086-01-01 finanziert.

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Adnan Qamar und Sarah Kerdi.

Water Desalination and Reuse Center (WDRC), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Saudi-Arabien

Adnan Qamar, Sarah Kerdi, Johannes S. Vrouwenvelder und Noreddine Ghaffour

Programm für Umweltwissenschaften und -technik, Abteilung für Biologische und Umweltwissenschaften und -technik (BESE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Saudi-Arabien

Johannes S. Vrouwenvelder & Noreddine Ghaffour

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AQ, SK und NG entwickelten das Konzept und führten das experimentelle Verfahren durch. SK führte die Experimente durch. AQ führte die Simulationen durch. SK und AQ haben das Manuskript verfasst. JSV trug zur Biofouling-Datenanalyse bei. NG leitete das Projekt. Alle Autoren beteiligten sich an Diskussionen, führten Datenanalysen durch, lieferten kritische Überarbeitungen und genehmigten die endgültige Version des Manuskripts.

Korrespondenz mit Sarah Kerdi oder Noreddine Ghaffour.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Qamar, A., Kerdi, S., Vrouwenvelder, JS et al. Tragflächenförmiger Filamentzuführungs-Abstandshalter für verbesserte Filtrationsleistung bei der Wasseraufbereitung. Sci Rep 13, 10798 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37885-5

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Eingegangen: 12. April 2023

Angenommen: 29. Juni 2023

Veröffentlicht: 04. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37885-5

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