反渗透膜组件中进料隔网几何形状的比较数值评估：增强水处理可持续性

《Membranes》：Comparative Numerical Evaluation of Feed-Spacer Geometries in Reverse Osmosis Modules for Enhanced Water Treatment Sustainability

　　

世界淡水短缺要求从线性水消费模式向有韧性且低能耗的海水淡化技术范式转变。尽管反渗透（RO）是行业标准，但其效用本质上受到浓差极化（CP）和非有效水压损失的制约。本文应用ANSYS Fluent 2022 R1中的高保真计算模型，对六边形和正弦形进料隔网几何结构相对于基准网格配置进行了比较参数化评估。通过三维组分输运模型求解流体-膜界面处的溶质浓度梯度，该模型采用一微米近壁膨胀层优化。六边形构型产生了最低的膜表面最大盐质量分数，从基准网格的0.1127 kg/kg降至0.0429 kg/kg，对应61.9%的降低。尽管六边形设计需要205.7 Pa的进口压力，但其归一化传质-摩擦权衡优于正弦形构型（447.8 Pa），系统性能指数（η）为2.53。这些结果证明了在模拟条件下浓差极化控制和水力性能的微尺度比较改进。在就全模块能耗、光伏集成、长期污垢行为或经济可行性得出任何结论之前，需要进行实验测试和系统级建模。本研究与新兴的可持续性概念与设计一致，通过创新机械设计促进循环和节能水经济。

该研究发表于《Membranes》期刊，围绕反渗透（RO）膜组件中进料隔网几何形状的优化展开。全球淡水短缺日益严峻，约11亿人无法获得安全饮用水，27亿人每年至少有一个月面临缺水，因此海水淡化技术成为重要解决方案。反渗透（RO）作为主流淡化技术，虽然能耗相对较低，但其运行效率受制于浓差极化（CP）现象——水分子透过半透膜时，盐离子在膜表面富集形成高浓度层，导致局部渗透压升高，需要更高的进水压力维持通量。传统网格隔网虽能破坏边界层、缓解浓差极化，但会引入显著的水力压降，并在纤维交叉点附近形成死区，成为生物污损和矿物质结垢的温床，增加系统能耗和运维成本。因此，亟需开发能在传质增强与压降控制之间取得更优平衡的新型隔网结构。

研究人员针对三种进料隔网构型——基准网格、六边形隔网和正弦形隔网，在相同的模拟条件下进行了系统比较。采用高保真三维计算流体力学（CFD）模型，在15 mm×9.6 mm×0.8 mm的计算域内求解层流Navier-Stokes方程和组分输运方程。模拟结果显示，六边形隔网在膜表面最大盐质量分数方面显著优于其他构型，从基准网格的0.1127 kg/kg降至0.0429 kg/kg，降幅达61.9%；其舍伍德数（Sh）高达185.4，较基准网格的54.5提高240%，而所需进水压力仅为205.7 Pa，远低于正弦形隔网的447.8 Pa。通过系统性能指数（η）综合评估传质增益与摩擦代价，六边形构型取得2.53的最佳值，正弦形为1.50。这一发现表明六边形隔网能在较低能耗下有效抑制浓差极化，为设计节能型反渗透膜组件提供了新的数值依据，对推进水处理系统可持续性具有重要意义。

为开展这项研究，研究人员采用了以下关键数值方法：首先，建立三维稳态层流CFD模型（雷诺数约70–350），求解连续性、动量及组分输运方程；其次，在膜壁面设置10层近壁膨胀网格，第一层高度为1 μm，以确保近壁浓度梯度分辨率（y⁺<1）；再次，膜界面采用半透壁边界条件，施加恒定渗透通量（v_w=2.5×10^-5 m/s），并通过v_w·C_w?D·(?C/?z)=0平衡对流与扩散；最后，将基准网格结果与文献中摩擦因子和舍伍德数关联式对比，偏差分别约为4.3%和4.7%，验证了计算模型的可靠性。

4.1 水力阻力和能量因子的量化
通过测量各构型维持恒定入口流速所需的压力，发现基准网格阻力最低，入口压力为84.1 Pa；六边形隔网为205.7 Pa，压力增加因子（λ）为2.44；正弦形隔网压力最高，达447.8 Pa，λ为5.32，表明其泵送能耗显著高于六边形。

4.2 盐积累与浓差极化降低
组分输运模型显示，基准网格膜面最大盐质量分数为0.1127 kg/kg，浓差极化模量（Γ）达3.22；六边形隔网将其降至0.0429 kg/kg（Γ=1.22），正弦形为0.0537 kg/kg（Γ=1.53）。六边形构型的降盐效果最佳。

4.3 壁面剪切应力与表面冲刷分析
壁面剪切应力（WSS）分布表明，六边形隔网在纤维与膜接触点附近形成高强度的“冲刷热点”，可有效破坏粘性底层，改善膜面清洁；正弦形隔网则在波谷处出现剪切停滞区（WSS近乎为零），这类区域易成为结垢和生物污损的滋生点。

4.4 层流涡量与二次流诱导分析
在低雷诺数条件下，六边形隔网通过几何诱导的流动分离与再附着产生层流二次流。涡量峰值为约85 s^-1，二次流区域向下游延伸约1.8 mm，覆盖约60%的膜表面积，使扩散子层厚度从约50 μm降至约15 μm，从而显著提高局部传质系数。

4.5 无量纲性能：舍伍德数与系统效率
舍伍德数（Sh）的计算表明，六边形隔网的Sh为185.4，较基准网格（54.5）提高240%，正弦形为142.2。结合压力降数据，系统性能指数（η）计算得出六边形为2.53、正弦形为1.50，表明六边形构型具有更优的传质-压降权衡。

4.6 六边形构型的定量敏感性分析
在不同入口速度（0.05–0.25 m/s）下，六边形隔网的压降随速度增加而显著上升（增幅约854%），但最大盐积累仅增加8.1%，说明其即使在低流速下仍能有效抑制浓差极化，有利于降低运行能耗。

讨论部分指出，六边形隔网的优势源于其离散的纤维顶点产生局部射流和涡旋，能持续冲刷膜面并阻止浓度边界层增厚；而正弦形隔网因连续波浪结构导致高阻力并形成剪切停滞区。研究还强调了从数字孪生到增材制造（AM）的转化潜力，但需进一步开展实验验证和系统级建模，以评估长期污损、膜寿命和全模块能耗等因素。

本研究使用三维层流CFD和组分输运模型，在相同模拟条件下比较了基准网格、六边形隔网和正弦形隔网。评估的雷诺数范围约为70–350，未采用湍流闭合模型。预测的涡旋结构源于几何诱导的流动分离、再循环和再附着。

六边形构型产生了最低的最大膜表面盐质量分数，从基准网格的0.1127 kg/kg降至0.0429 kg/kg，对应61.9%的降低。它还实现了最高的舍伍德数185.4，而基准网格为54.5，正弦形隔网为142.2。基准、六边形和正弦形构型的相应压降分别为84.1 Pa、205.7 Pa和447.8 Pa。

一致地应用性能指数方程得出六边形隔网为2.53，正弦形隔网为1.50。因此，在所考察的离散构型中，六边形几何体提供了最有利的归一化传质-压降权衡。这一发现是一个比较数值结果，而非连续或算法优化。

该研究仅限于短计算域，未直接模拟长期污染、矿物沉淀、膜降解、清洗周期、全模块能耗、光伏集成或经济性能。因此，在将预测的改进转化为工业设计建议之前，需要对先进几何体进行实验验证和系统级建模。