海水淡化裝置中反滲透膜的流場特性分析

＊馮孖卓 張嘉奕 周童 宋修營 尹方龍

（北京工業大學材料與制造學部 北京 100124）

1.概述

目前全球脫鹽淡化產水能力為1億立方米/天，其中約65%為利用膜技術獲得，且反滲透膜是反滲透技術的主要部分[1]。反滲透技術一般用于海水淡化過程的最終過程以保證出水的質量，與其它的膜技術不同的是，反滲透膜內部自由體積尺寸非常小，結構十分緊密，通常其結構被認為是無孔的。因為其近乎無孔的結構，在實際進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入到濃度較小的液相，從而使溶質滯留在薄膜的另外一側。通過計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真技術來探測反滲透膜內流場分布特性是研究反滲透膜最主要的途徑和方法[2]。上海交通大學的員文權和楊慶峰[3]基于CFD方法對反滲透膜進行了仿真研究，并優化了隔網形狀。浙江大學的侯立安和張雅琴[4]運用CFD仿真研究了進水隔網結構、入水角度和卷制頁數等參數對卷式反滲透膜組件性能的影響規律。天津大學的王雙和蔡相宇[5]運用FLUENT軟件仿真研究了各種形態的隔網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形態，該形態的隔網在保持壓力方面有優勢，同時具有較好的傳質和抑制膜污染的效果。中煤科工集團杭州研究院有限公司的毛維東等[6]基于CFD模擬技術優化了某煤礦礦井水多級反滲透系統，針對兩級膜濃縮單元膜元件排列組合形式提出了優化方案，分析了技術性和經濟性。

然而，現有研究關于反滲透海水淡化膜工作壓力對產水量影響規律的研究較少，本文將建立反滲透海水淡化膜的精準流場仿真模型，通過計算流體力學方法獲得反滲透膜的滲透量在不同工作壓力下的變化規律，并對反滲透膜的內部流場特性進行模擬，分析不同隔網的位置與構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，兩側為反滲透薄膜的復合結構，再將反滲透薄膜和隔網層層疊加，以中央的清水排出管為核心，構成反滲透膜組。在隔網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，進流側壁有益于流體混合，使溶解物的分配均勻，但同時也會增加壓力的損耗。當前對于反滲透膜的CFD仿真已有明確的仿真重點：單元結構的選取以及邊界條件的設定。

反滲透膜的CFD仿真中經常會選擇具有代表性的重復單位，但是其選擇是否恰當還需要進一步探討。Li等[7]對常選的4種隔網單元進行了對比，得出最適合CFD的重復單元是III類，詳見圖1。

圖1 單元結構的選取

對于邊界條件的設定，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，單個單元的兩側設置為壁面，另外兩側則設置為進水口與出水口。

(2)單元膜結構的CFD模型建立

反滲透膜的隔網結構如圖2所示[8]，其中圖2（a）為卷式膜示意圖，圖2（b）為隔網結構的電鏡照片，圖2（c）是使用SolidWorks建立的隔網模型。

圖2 反滲透膜隔網結構示意圖

參考隔網的SEM照片，根據膜的型號，模型的相關參數設置如下，隔網絲夾角為90°，流體進入方向與隔網夾角為45°。單根格網絲為圓柱形，單元長度為1.6mm，直徑為0.7341mm，具體仿真邊界設置見圖3（a）。

圖3 反滲透膜單元邊界設置與網格劃分

使用PumpLinx對反滲透膜的單元結構進行了網格劃分，如圖3（b）所示，綜合考慮到精度與計算成本，網格數量設置在200000左右，進口為給定流速入口,入口流速設定為0.229m/s，出口為給定壓力出口,設定為常壓。

3.反滲透膜仿真結果分析

為了分析膜組內壓強與滲透量的關系，對反滲透膜單元的下膜面進行了流量監測，如圖3（a）所示。高壓海水從側面進入膜組單元中，在壓力的作用下經上下膜面排出。

圖4為滲透量隨壓力的變化趨勢。對其進行分析，發現在0.5MPa條件下滲透量出現了負值，這是因為初始階段壓強過小導致了液體的反向流動。

圖4 提高入口壓強的流量變化圖

圖5為不同壓強下的膜下表面滲透量穩定值，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時滲透量達到了140.336L/h。這表明提高系統的工作壓力有利于得到更高的產水量。

圖5 滲透量穩定值匯總

圖6為反滲透膜單元模組在2.0MPa條件下隔網不相交處的壓力云圖。可以發現，在靠近隔網的區域，流體的壓強顯著提高，最高達到了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別。流體在與隔網垂直位置上速度較大，遠高于在其他區域的流體速度。流體在Z軸方向上的速度過低，根據膜滲透的原理，持續性的低流速會導致溶液中本就分布不均勻的溶質，在反滲透膜的吸附作用與外界的壓力的共同作用下，導致溶質集中在反滲透膜表面，填滿膜內部的微孔，最終導致溶質聚集區域的反滲透膜通過溶劑的效率極大降低，即產生濃差極化效應，導致反滲透膜被污染。

圖7（a）中的黑色箭頭為流體的速度矢量，可以發現流體的速度矢量在未靠近隔網的區域方向的改變不大，而在靠近隔網區域的流體速度矢量方向變化較大，這說明隔網的位置與構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，能夠看出在隔網附近的流線與其他區域的流線有顯著區別。海水從膜單元一側進入后，流線呈現出平滑姿態，而在流體接近隔網后，流線呈現逆向的卷曲態，產生了逆向渦流。從圖中可以看到逆向的渦流存在于圓柱形隔網的后部，這種渦流可以對膜的表面進行溶質的再次分配，減弱膜內溶質的堆積，使得膜的微孔道結構不會被溶質阻塞。這樣一來溶液可以通過而溶質被阻隔，從而減弱了傳質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水量。

4.結論

本文對海水淡化裝置中反滲透膜流場進行系統分析研究。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，選取膜的單元結構，使用湍流模型和空化模型進行CFD仿真，得到結論有：（1）膜單元下表面滲透量隨入口壓力提升而提升；（2）靠近膜的區域壓強較高，滲透量較大；（3）流體在與隔網垂直位置上流速較大，持續性低速易產生濃差極化效應，導致反滲透膜被污染；（4）隔網的位置與構型直接影響流體的流動效率；（5）隔網附近產生逆向渦流，減弱濃差極化反應和膜污染，提高產水量。