《Journal of Membrane Science》：Shape-dependent fouling dynamics in a crossflow model pore system
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基于CFD-DEM耦合方法研究非球形颗粒在膜过滤中的沉积行为，发现其形成的滤饼结构更紧凑且孔隙侵入程度更大，主要归因于非球形颗粒的接触面积增大与网络稳定性降低导致的应力分布差异。
Berinike Br?sel | John Linkhorst | Matthias Wessling
化学过程工程系，亚琛工业大学（RWTH Aachen University），Forckenbeckstra?e 51，亚琛，52074，德国
摘要
全面理解污染机制及其影响因素对于克服膜过滤中的局限性至关重要。本研究探讨了颗粒形状对孔隙尺度上污染行为的影响。采用计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）耦合技术，模拟了在横流操作条件下非球形颗粒在模拟膜几何结构中的运动和沉积行为。研究结果表明，非球形颗粒具有较低的配位数（每个颗粒的接触点较少），这降低了网络稳定性并促进了在负载下的重新排列；同时，它们具有较大的接触面积，增强了应力传递。这些特性共同导致形成的滤饼更加致密且均匀，并且由于应力驱动的近表面重新排列，颗粒更易侵入孔隙，相比球形颗粒而言。
引言
膜过滤广泛应用于水净化、生物加工和医疗领域，用于将固体从液体中分离出来[1]。膜过滤可持续使用的一个主要挑战是污染问题。这一过程涉及颗粒在膜孔隙内及表面堆积，导致孔隙逐渐堵塞并形成滤饼。污染严重限制了过滤效率，甚至可能导致系统完全失效。全面理解污染机制及其影响因素对于设计能够最小化污染的过滤系统至关重要。
由于球形颗粒的简单性，现有大部分研究都集中在球形颗粒上[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。然而，研究不同形状颗粒的污染行为对于实际应用至关重要，因为在现实世界中，诸如杆状细菌或非球形病毒等颗粒很少是完美的球形。在我们之前的工作中[10]，我们开发了一个CFD-DEM模拟框架，用于研究多孔膜模拟系统中球形颗粒的孔隙堵塞和滤饼形成过程。该研究证明了该方法能够再现典型的污染现象，包括孔隙堵塞、滤饼堆积和部分重新开放。在此基础上，本研究将分析扩展到非球形颗粒，从而探讨颗粒各向异性如何影响沉积和污染动态。
章节摘要
背景
由于非球形颗粒的各向异性，它们在膜过滤过程中表现出独特的行为，这影响了它们的取向、排列方式以及与流体流动和膜表面的相互作用。在层流中，非球形颗粒（如杆状和纤维状颗粒）倾向于沿着流动方向排列；而在湍流中，它们可能会经历复杂的旋转和翻滚运动[11]、[12]、[13]。它们的取向会影响其阻力和沉降速度。
模型与方法
我们使用了商业CFD-DEM耦合软件CFDEM?，该软件实现了开源CFD软件OpenFOAM?计算的流体流动与商业DEM软件Aspherix?计算的颗粒运动之间的四向耦合。我们使用的模拟域如图1(a)所示，包含一个模拟膜结构的四个矩形孔隙，用于研究孔隙尺度上的污染机制。域的前后边界被设置为周期性边界，以便颗粒能够
颗粒沉积的演变
在我们的模拟中，我们观察到由于颗粒在膜表面及其孔隙内的连续沉积和堆积，孔隙逐渐被堵塞。图2通过分析(a)滤饼中沉积的颗粒数量、(b)渗透通量以及(c)过滤过程中的滤饼平均孔隙率，展示了颗粒形状对污染进程的影响。孔隙率是通过体积平均得到的
结论
在这项研究中，我们采用CFD-DEM方法探讨了颗粒形状对孔隙尺度上污染行为的影响。我们模拟了在模拟膜结构中包含球形、血小板状、椭球形和杆状颗粒的四种形状均匀系统的横流过滤过程。
首先，我们结合定量和定性分析，揭示了颗粒形状对颗粒沉积演变的影响。
CRediT作者贡献声明
Berinike Br?sel：撰写——初稿撰写、可视化、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。John Linkhorst：撰写——审稿与编辑、项目监督、概念构思。Matthias Wessling：撰写——审稿与编辑、项目监督、资金筹集、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
