Profilo alare

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10798 (2023) Citare questo articolo

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Il design ottimale del distanziatore migliora le prestazioni di filtrazione nei moduli avvolti a spirale controllando l'idrodinamica locale all'interno del canale di filtrazione. In questo studio viene proposto un nuovo design del distanziatore di alimentazione del profilo alare fabbricato utilizzando la tecnologia di stampa 3D. Il design è una configurazione a forma di scala con filamenti primari a forma di profilo alare rivolti verso il flusso di alimentazione in entrata. I filamenti del profilo alare sono rinforzati da pilastri cilindrici che sostengono la superficie della membrana. Lateralmente tutti i filamenti del profilo alare sono collegati da sottili filamenti cilindrici. Le prestazioni dei nuovi distanziatori a profilo alare sono valutate con un angolo di attacco (AOA) di 10° (distanziatore A-10) e 30° (distanziatore A-30) e confrontate con distanziatori commerciali (COM). A condizioni operative fisse, le simulazioni indicano uno stato idrodinamico stazionario all'interno del canale per il distanziatore A-10, mentre si riscontra uno stato instabile per il distanziatore A-30. Lo sforzo di taglio numerico della parete per i distanziatori del profilo alare è distribuito uniformemente e ha una grandezza maggiore rispetto al distanziatore COM. Il design del distanziatore A-30 è il più efficiente nel processo di ultrafiltrazione con un flusso di permeato migliorato (228%) e un consumo energetico specifico ridotto (23%) e lo sviluppo di biofouling (74%) come caratterizzato dalla tomografia a coerenza ottica. I risultati dimostrano sistematicamente il ruolo influente dei filamenti a forma di profilo alare per la progettazione del distanziatore di alimentazione. La modifica dell'AOA consente di controllare efficacemente l'idrodinamica localizzata in base al tipo di filtrazione e alle condizioni operative.

Negli ultimi dieci anni, la carenza di acqua dolce è aumentata costantemente, esercitando un’enorme pressione sulle risorse di acqua dolce esistenti1. Inoltre, la recente diffusione della pandemia di coronavirus, con la capacità di infettare l’acqua per giorni o settimane2, pone uno stress enorme sulla produzione di acqua potabile sicura. Le tecnologie di filtrazione a membrana come l'osmosi inversa (RO), la nanofiltrazione (NF) e l'ultrafiltrazione (UF) hanno attirato l'attenzione per il loro potenziale di produrre una quantità elevata di acqua potabile sicura con costi operativi ragionevoli3. Tuttavia, l’accumulo di (bio)incrostazioni sulla superficie della membrana compromette le prestazioni di filtrazione e deteriora la qualità dell’acqua4. Pertanto, il controllo della crescita delle (bio)incrostazioni è essenziale per una maggiore produttività dell’acqua riducendo al minimo il consumo di energia. La prevenzione della crescita batterica mediante la progettazione intelligente dei componenti dei moduli di filtrazione costituisce un approccio semplice ed ecologico. L'attenzione alla progettazione di un distanziatore di alimentazione ottimale nei moduli a spirale (SWM) ha recentemente acquisito un notevole impulso per migliorare la produttività dell'acqua, ridurre la crescita di (bio)incrostazioni e diminuire il consumo di energia5,6.

Lo spaziatore di alimentazione in SWM supporta meccanicamente le foglie della membrana e promuove l'instabilità del fluido associata alla velocità di taglio locale, che migliora il trasferimento di massa e, in definitiva, contrasta la crescita batterica7,8,9. Tuttavia, esiste un valore limite dello shear rate, al di sopra del quale è favorito l’attacco dei batteri sulla membrana, il che compromette l’efficienza di filtrazione e aumenta la caduta di pressione nel canale di alimentazione5. Pertanto, l'alterazione dell'idrodinamica dovuta all'integrazione del distanziatore di alimentazione potrebbe influenzare negativamente il processo di filtrazione se la sua progettazione non è ben ottimizzata5. Pertanto, l'identificazione di una microstruttura distanziatrice ottimale rimane, finora, una sfida per migliorare il processo di filtrazione10,11.

Negli ultimi anni, lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D ha contribuito a creare distanziatori di alimentazione innovativi con elevata versatilità e geometria più complessa8. Le tecnologie di stampa 3D o la produzione additiva sono processi avanzati che si basano sulla creazione di oggetti fisici da modelli CAD (Computer-Aided Design) aggiungendo materiali strato per strato12. I distanziatori stampati in 3D sono stati sviluppati modificando le caratteristiche geometriche dei distanziatori commerciali13,14,15,16 o producendo nuovi design microstrutturati8,17,18,19,20,21,22,23. Tra i design di distanziatori recentemente sviluppati, i design con superficie minima tripla periodica (TPMS)8,18, le configurazioni sinusoidali uniformi22, i distanziatori a forma di nido d'ape23, perforati20, a colonna17 ed elicoidali19 hanno mostrato un potenziale per alleviare l'incrostazione della membrana e migliorare la produttività dell'acqua in laboratorio. unità di filtrazione delle incrostazioni. Tuttavia, alcune limitazioni, tra cui la complessità della progettazione e la debolezza della resistenza meccanica, ne impediscono l’implementazione negli impianti industriali.