翼型

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10798 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

最適なスペーサー設計により、濾過チャネル内の局所的な流体力学を制御することで、スパイラル型モジュールの濾過性能が向上します。 この研究では、3D プリンティング技術を使用して製造された新しい翼形フィード スペーサーの設計が提案されています。 この設計は、入ってくる供給流に面する一次翼型フィラメントを備えたはしご型の構成です。 翼形部のフィラメントは、膜の表面を支える円筒形の柱によって強化されています。 横方向では、すべての翼型フィラメントが薄い円筒状フィラメントによって接続されています。 新しい翼型スペーサーの性能は、迎え角 (AOA) 10° (A-10 スペーサー) および 30° (A-30 スペーサー) で評価され、市販の (COM) スペーサーと比較されます。 固定動作条件では、シミュレーションでは A-10 スペーサーのチャネル内の定常状態の流体力学が示されていますが、A-30 スペーサーでは非定常状態が見られます。 翼型スペーサーの壁せん断応力の数値は均一に分布しており、COM スペーサーよりも大きくなります。 A-30 スペーサー設計は、光コヒーレンストモグラフィーによって特徴付けられるように、透過水束の向上 (228%)、比エネルギー消費の削減 (23%)、および生物付着の発生 (74%) を実現し、限外濾過プロセスにおいて最も効率的です。 結果は、フィードスペーサー設計における翼型フィラメントの影響力のある役割を体系的に示しています。 AOA を変更すると、ろ過の種類と動作条件に応じて局所的な流体力学を効果的に制御できます。

過去 10 年間にわたり、淡水不足は継続的に増加しており、既存の淡水資源に多大な圧力をかけています1。 さらに、最近のコロナウイルスのパンデミックの蔓延により、数日から数週間にわたって水に感染する可能性があり2、安全な飲料水の生産に多大なストレスがかかっています。 逆浸透（RO）、ナノ濾過（NF）、限外濾過（UF）などの膜濾過技術は、合理的な運用コストで大量の安全な飲料水を生産できる可能性があるため、注目を集めています3。 しかし、膜表面に（生物）汚れが蓄積すると濾過性能が損なわれ、水質が悪化します4。 したがって、エネルギー消費を最小限に抑えながら水の生産性を高めるには、（生物）汚れの増殖を制御することが不可欠です。 濾過モジュールのコンポーネントを賢く設計することで細菌の増殖を防止することは、直接的で環境に優しいアプローチとなります。 最近、スパイラル型モジュール (SWM) における最適な供給スペーサーの設計に焦点を当て、水の生産性を向上させ、(生物) 付着物の増殖を抑制し、エネルギー消費量を削減することが大きく推進されています 5,6。

SWM のフィードスペーサーは膜の葉を機械的にサポートし、局所的なせん断速度に関連する流体の不安定性を促進します。これにより物質移動が改善され、最終的に細菌の増殖に対処します 7,8,9。 ただし、せん断速度には制限値があり、この値を超えると細菌が膜上に付着しやすくなり、ろ過効率が低下し、供給チャネル内の圧力損失が増加します5。 そのため、設計が十分に最適化されていない場合、フィードスペーサーの統合による流体力学の変化が濾過プロセスに悪影響を与える可能性があります5。 したがって、最適なスペーサーの微細構造を特定することは、これまでのところ、濾過プロセスを改善する上で依然として困難です10、11。

近年、3D プリンティング技術の開発により、高い汎用性とより複雑な形状を備えた革新的なフィードスペーサーが実現されました8。 3D プリンティング技術または積層造形は、層ごとに材料を追加することによってコンピューター支援設計 (CAD) モデルから物理オブジェクトを作成することに依存する高度なプロセスです12。 3D プリントされたスペーサーは、市販のスペーサーの幾何学的特徴 13、14、15、16 を変更するか、新しい微細構造設計 8、17、18、19、20、21、22、23 を作成することによって開発されました。 最近開発されたスペーサー設計の中で、三重周期最小表面 (TPMS) 設計 8,18、均一な正弦波構成 22、ハニカム形状 23、穴あきスペーサー 20、柱状スペーサー 17、および螺旋状スペーサー 19 は、実験室での膜の汚れを軽減し、水の生産性を向上させる可能性を示しました。スケール濾過ユニット。 ただし、設計の複雑さや機械的強度の弱さなどのいくつかの制限により、産業プラントでの実装が妨げられています。