Profil aérodynamique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10798 (2023) Citer cet article

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La conception optimale des entretoises améliore les performances de filtration dans les modules enroulés en spirale en contrôlant l'hydrodynamique locale à l'intérieur du canal de filtration. Une nouvelle conception d’espaceur d’alimentation de profil aérodynamique fabriquée à l’aide de la technologie d’impression 3D est proposée dans cette étude. La conception est une configuration en forme d'échelle avec des filaments primaires en forme de profil aérodynamique faisant face au flux d'alimentation entrant. Les filaments de la voilure sont renforcés par des piliers cylindriques supportant la surface de la membrane. Latéralement, tous les filaments de la voilure sont reliés par de fins filaments cylindriques. Les performances des nouvelles entretoises de profil aérodynamique sont évaluées à un angle d'attaque (AOA) de 10° (entretoise A-10) et 30° (entretoise A-30) et comparées à celles du commerce (COM). Dans des conditions de fonctionnement fixes, les simulations indiquent une hydrodynamique en régime permanent à l'intérieur du canal pour l'espaceur A-10, tandis qu'un état instable est trouvé pour l'espaceur A-30. La contrainte de cisaillement numérique des parois pour les entretoises de profil aérodynamique est uniformément répartie et a une ampleur plus élevée que celle de l'entretoise COM. La conception de l'espaceur A-30 est la plus efficace dans le processus d'ultrafiltration avec un flux de perméat amélioré (228 %) et une consommation d'énergie spécifique réduite (23 %) et un développement de bio-encrassement (74 %), caractérisés par la tomographie par cohérence optique. Les résultats démontrent systématiquement le rôle influent des filaments en forme de profil aérodynamique pour la conception des espaceurs d'alimentation. La modification de l'AOA permet de contrôler efficacement l'hydrodynamique localisée en fonction du type de filtration et des conditions opératoires.

Au cours de la dernière décennie, la pénurie d’eau douce n’a cessé de croître et a exercé une pression considérable sur les ressources en eau douce existantes1. En outre, la récente propagation de la pandémie de coronavirus, capable d’infecter l’eau pendant des jours, voire des semaines2, exerce une pression considérable sur la production d’eau potable. Les technologies de filtration membranaire telles que l'osmose inverse (RO), la nanofiltration (NF) et l'ultrafiltration (UF) ont retenu l'attention en raison de leur potentiel à produire une grande quantité d'eau potable salubre avec des coûts d'exploitation raisonnables3. Cependant, l’accumulation de (bio)salissures à la surface de la membrane ruine les performances de filtration et détériore la qualité de l’eau4. Par conséquent, contrôler la croissance des (bio)salissures est essentiel pour une plus grande productivité de l’eau tout en minimisant la consommation d’énergie. La prévention de la croissance bactérienne grâce à une conception intelligente des composants du module de filtration constitue une approche simple et écologique. La concentration sur la conception d'un espaceur d'alimentation optimal dans les modules enroulés en spirale (SWM) a récemment pris un essor important pour améliorer la productivité de l'eau, réduire la croissance des (bio)salissures et réduire la consommation d'énergie5,6.

L'espaceur d'alimentation dans SWM soutient mécaniquement les feuilles de la membrane et favorise l'instabilité du fluide associée au taux de cisaillement local, ce qui améliore le transfert de masse et s'attaque finalement à la croissance bactérienne7,8,9. Il existe cependant une valeur limite du taux de cisaillement, au-delà de laquelle l'attachement des bactéries sur la membrane est favorisé, ce qui ternit l'efficacité de la filtration et augmente la perte de charge dans le canal d'alimentation5. En tant que telle, l’altération de l’hydrodynamique due à l’intégration de l’espaceur d’alimentation pourrait influencer négativement le processus de filtration si sa conception n’est pas bien optimisée5. Ainsi, l’identification d’une microstructure d’espacement optimale reste jusqu’à présent un défi pour améliorer le processus de filtration10,11.

Ces dernières années, le développement de la technologie d’impression 3D a contribué à la création d’espaceurs d’alimentation innovants dotés d’une grande polyvalence et d’une géométrie plus complexe8. Les technologies d’impression 3D ou de fabrication additive sont des processus avancés qui reposent sur la création d’objets physiques à partir de modèles de conception assistée par ordinateur (CAO) en ajoutant des matériaux couche par couche12. Les espaceurs imprimés en 3D ont été développés en modifiant les caractéristiques géométriques des espaceurs commerciaux13,14,15,16 ou en produisant de nouveaux modèles microstructurés8,17,18,19,20,21,22,23. Parmi les conceptions d'espaceurs récemment développées, les conceptions à surface minimale triplement périodique (TPMS)8,18, les configurations sinusoïdales uniformes22, les espaceurs en forme de nid d'abeille23, perforés20, en colonne17 et hélicoïdaux19 ont montré un potentiel pour atténuer l'encrassement de la membrane et améliorer la productivité de l'eau en laboratoire. unités de filtration antitartre. Cependant, certaines limitations, notamment la complexité de conception et la faiblesse de la résistance mécanique, entravent leur mise en œuvre dans les installations industrielles.