＊馮孖卓 張嘉奕 周童 宋修營 尹方龍

（北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 北京 100124）

1.概述

目前全球脫鹽淡化產(chǎn)水能力為1億立方米/天，其中約65%為利用膜技術(shù)獲得，且反滲透膜是反滲透技術(shù)的主要部分[1]。反滲透技術(shù)一般用于海水淡化過程的最終過程以保證出水的質(zhì)量，與其它的膜技術(shù)不同的是，反滲透膜內(nèi)部自由體積尺寸非常小，結(jié)構(gòu)十分緊密，通常其結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是無孔的。因?yàn)槠浣鯚o孔的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際進(jìn)行膜分離的過程中需要較高的壓力，其壓力一般在1.0MPa到10.0MPa之間。

反滲透膜是海水淡化的核心組件，加壓海水經(jīng)過之后就會能脫去鹽分。在半透性薄膜的兩邊分布著兩種不同的液相，在一定的壓力下，高濃度的液體會向濃度較小的液體方向移動，如果超過了薄膜的滲透壓，則會使高濃度的液體的溶劑通過薄膜進(jìn)入到濃度較小的液相，從而使溶質(zhì)滯留在薄膜的另外一側(cè)。通過計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真技術(shù)來探測反滲透膜內(nèi)流場分布特性是研究反滲透膜最主要的途徑和方法[2]。上海交通大學(xué)的員文權(quán)和楊慶峰[3]基于CFD方法對反滲透膜進(jìn)行了仿真研究，并優(yōu)化了隔網(wǎng)形狀。浙江大學(xué)的侯立安和張雅琴[4]運(yùn)用CFD仿真研究了進(jìn)水隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)、入水角度和卷制頁數(shù)等參數(shù)對卷式反滲透膜組件性能的影響規(guī)律。天津大學(xué)的王雙和蔡相宇[5]運(yùn)用FLUENT軟件仿真研究了各種形態(tài)的隔網(wǎng)纖維絲對原水的影響，并得到一種纖維絲斷面為橢圓形的隔網(wǎng)形態(tài)，該形態(tài)的隔網(wǎng)在保持壓力方面有優(yōu)勢，同時具有較好的傳質(zhì)和抑制膜污染的效果。中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司的毛維東等[6]基于CFD模擬技術(shù)優(yōu)化了某煤礦礦井水多級反滲透系統(tǒng)，針對兩級膜濃縮單元膜元件排列組合形式提出了優(yōu)化方案，分析了技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。

然而，現(xiàn)有研究關(guān)于反滲透海水淡化膜工作壓力對產(chǎn)水量影響規(guī)律的研究較少，本文將建立反滲透海水淡化膜的精準(zhǔn)流場仿真模型，通過計算流體力學(xué)方法獲得反滲透膜的滲透量在不同工作壓力下的變化規(guī)律，并對反滲透膜的內(nèi)部流場特性進(jìn)行模擬，分析不同隔網(wǎng)的位置與構(gòu)型下的反滲透海水淡化膜流體流動效率。

2.膜組件的流場模型及仿真

(1)反滲透膜概述

卷式反滲透薄膜是目前使用最多的一種薄膜，它是一種中間為隔網(wǎng)，兩側(cè)為反滲透薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，再將反滲透薄膜和隔網(wǎng)層層疊加，以中央的清水排出管為核心，構(gòu)成反滲透膜組。在隔網(wǎng)支撐的薄膜和薄膜的縫隙里，新鮮海水會沿著與新的出口管道平行的方向流動，進(jìn)流側(cè)壁有益于流體混合，使溶解物的分配均勻，但同時也會增加壓力的損耗。當(dāng)前對于反滲透膜的CFD仿真已有明確的仿真重點(diǎn)：單元結(jié)構(gòu)的選取以及邊界條件的設(shè)定。

反滲透膜的CFD仿真中經(jīng)常會選擇具有代表性的重復(fù)單位，但是其選擇是否恰當(dāng)還需要進(jìn)一步探討。Li等[7]對常選的4種隔網(wǎng)單元進(jìn)行了對比，得出最適合CFD的重復(fù)單元是III類，詳見圖1。

圖1 單元結(jié)構(gòu)的選取

對于邊界條件的設(shè)定，考慮到計算成本，通常對反滲透膜的一個或幾個周期性單元迸行仿真分析，單個單元的兩側(cè)設(shè)置為壁面，另外兩側(cè)則設(shè)置為進(jìn)水口與出水口。

(2)單元膜結(jié)構(gòu)的CFD模型建立

反滲透膜的隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示[8]，其中圖2（a）為卷式膜示意圖，圖2（b）為隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電鏡照片，圖2（c）是使用SolidWorks建立的隔網(wǎng)模型。

圖2 反滲透膜隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

參考隔網(wǎng)的SEM照片，根據(jù)膜的型號，模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下，隔網(wǎng)絲夾角為90°，流體進(jìn)入方向與隔網(wǎng)夾角為45°。單根格網(wǎng)絲為圓柱形，單元長度為1.6mm，直徑為0.7341mm，具體仿真邊界設(shè)置見圖3（a）。

圖3 反滲透膜單元邊界設(shè)置與網(wǎng)格劃分

使用PumpLinx對反滲透膜的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖3（b）所示，綜合考慮到精度與計算成本，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置在200000左右，進(jìn)口為給定流速入口,入口流速設(shè)定為0.229m/s，出口為給定壓力出口,設(shè)定為常壓。

3.反滲透膜仿真結(jié)果分析

為了分析膜組內(nèi)壓強(qiáng)與滲透量的關(guān)系，對反滲透膜單元的下膜面進(jìn)行了流量監(jiān)測，如圖3（a）所示。高壓海水從側(cè)面進(jìn)入膜組單元中，在壓力的作用下經(jīng)上下膜面排出。

圖4為滲透量隨壓力的變化趨勢。對其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在0.5MPa條件下滲透量出現(xiàn)了負(fù)值，這是因?yàn)槌跏茧A段壓強(qiáng)過小導(dǎo)致了液體的反向流動。

圖4 提高入口壓強(qiáng)的流量變化圖

圖5為不同壓強(qiáng)下的膜下表面滲透量穩(wěn)定值，能夠看出膜單元的下表面的滲透量會隨著入口壓力的提升而提升，在2.0MPa時滲透量達(dá)到了140.336L/h。這表明提高系統(tǒng)的工作壓力有利于得到更高的產(chǎn)水量。

圖5 滲透量穩(wěn)定值匯總

圖6為反滲透膜單元模組在2.0MPa條件下隔網(wǎng)不相交處的壓力云圖。可以發(fā)現(xiàn)，在靠近隔網(wǎng)的區(qū)域，流體的壓強(qiáng)顯著提高，最高達(dá)到了2.0MPa。

圖6 2.0MPa條件下壓力云圖

圖7（a）為2.0MPa條件下膜內(nèi)速度場（Z軸），可見其中流體的速度在該截面各處有著顯著的區(qū)別。流體在與隔網(wǎng)垂直位置上速度較大，遠(yuǎn)高于在其他區(qū)域的流體速度。流體在Z軸方向上的速度過低，根據(jù)膜滲透的原理，持續(xù)性的低流速會導(dǎo)致溶液中本就分布不均勻的溶質(zhì)，在反滲透膜的吸附作用與外界的壓力的共同作用下，導(dǎo)致溶質(zhì)集中在反滲透膜表面，填滿膜內(nèi)部的微孔，最終導(dǎo)致溶質(zhì)聚集區(qū)域的反滲透膜通過溶劑的效率極大降低，即產(chǎn)生濃差極化效應(yīng)，導(dǎo)致反滲透膜被污染。

圖7（a）中的黑色箭頭為流體的速度矢量，可以發(fā)現(xiàn)流體的速度矢量在未靠近隔網(wǎng)的區(qū)域方向的改變不大，而在靠近隔網(wǎng)區(qū)域的流體速度矢量方向變化較大，這說明隔網(wǎng)的位置與構(gòu)型會直接影響流體的流動效率。

圖7（b）為單元反滲透膜流線分布，能夠看出在隔網(wǎng)附近的流線與其他區(qū)域的流線有顯著區(qū)別。海水從膜單元一側(cè)進(jìn)入后，流線呈現(xiàn)出平滑姿態(tài)，而在流體接近隔網(wǎng)后，流線呈現(xiàn)逆向的卷曲態(tài)，產(chǎn)生了逆向渦流。從圖中可以看到逆向的渦流存在于圓柱形隔網(wǎng)的后部，這種渦流可以對膜的表面進(jìn)行溶質(zhì)的再次分配，減弱膜內(nèi)溶質(zhì)的堆積，使得膜的微孔道結(jié)構(gòu)不會被溶質(zhì)阻塞。這樣一來溶液可以通過而溶質(zhì)被阻隔，從而減弱了傳質(zhì)過程中不可避免的濃差極化和膜污染，提高了反滲透膜的產(chǎn)水量。

4.結(jié)論

本文對海水淡化裝置中反滲透膜流場進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。在模擬中流體為不可壓縮流體，粘性耗散可忽略不計條件下，選取膜的單元結(jié)構(gòu)，使用湍流模型和空化模型進(jìn)行CFD仿真，得到結(jié)論有：（1）膜單元下表面滲透量隨入口壓力提升而提升；（2）靠近膜的區(qū)域壓強(qiáng)較高，滲透量較大；（3）流體在與隔網(wǎng)垂直位置上流速較大，持續(xù)性低速易產(chǎn)生濃差極化效應(yīng)，導(dǎo)致反滲透膜被污染；（4）隔網(wǎng)的位置與構(gòu)型直接影響流體的流動效率；（5）隔網(wǎng)附近產(chǎn)生逆向渦流，減弱濃差極化反應(yīng)和膜污染，提高產(chǎn)水量。