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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 10798 (2023) Citar este artículo

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El diseño óptimo del espaciador mejora el rendimiento de la filtración en módulos enrollados en espiral al controlar la hidrodinámica local dentro del canal de filtración. En este estudio se propone un novedoso diseño de espaciador de alimentación de perfil aerodinámico fabricado con tecnología de impresión 3D. El diseño es una configuración en forma de escalera con filamentos primarios en forma de perfil aerodinámico orientados hacia el flujo de alimentación entrante. Los filamentos del perfil aerodinámico están reforzados por pilares cilíndricos que sostienen la superficie de la membrana. Lateralmente, todos los filamentos del perfil aerodinámico están conectados por finos filamentos cilíndricos. El rendimiento de los nuevos espaciadores de perfil aerodinámico se evalúa en un ángulo de ataque (AOA) de 10° (espaciador A-10) y 30° (espaciador A-30) y se compara con el espaciador comercial (COM). En condiciones de operación fijas, las simulaciones indican una hidrodinámica en estado estacionario dentro del canal para el espaciador A-10, mientras que se encuentra un estado inestable para el espaciador A-30. El esfuerzo cortante numérico de la pared para los espaciadores de perfil aerodinámico se distribuye uniformemente y tiene una magnitud mayor que el espaciador COM. El diseño del espaciador A-30 es el más eficiente en el proceso de ultrafiltración con un flujo de permeado mejorado (228 %) y un consumo de energía específico reducido (23 %) y desarrollo de bioincrustaciones (74 %), según lo caracterizado por la tomografía de coherencia óptica. Los resultados demuestran sistemáticamente el papel influyente de los filamentos con forma de perfil aerodinámico en el diseño de espaciadores de alimentación. La modificación del AOA permite controlar eficazmente la hidrodinámica localizada según el tipo de filtración y las condiciones de funcionamiento.

Durante la última década, la escasez de agua dulce ha aumentado continuamente y ha ejercido una enorme presión sobre los recursos de agua dulce existentes1. Además, la reciente propagación de la pandemia de coronavirus, que tiene la capacidad de infectar el agua durante días o semanas2, supone una enorme presión para la producción de agua potable. Las tecnologías de filtración por membrana, como la ósmosis inversa (RO), la nanofiltración (NF) y la ultrafiltración (UF), han ganado atención debido a su potencial para producir una gran cantidad de agua potable segura con costos operativos razonables3. Sin embargo, la acumulación de (bio)incrustaciones en la superficie de la membrana arruina el rendimiento de la filtración y deteriora la calidad del agua4. Por lo tanto, controlar el crecimiento de (bio)incrustaciones es esencial para una mayor productividad del agua y al mismo tiempo minimizar el consumo de energía. La prevención del crecimiento bacteriano mediante el diseño inteligente de los componentes del módulo de filtración constituye un enfoque sencillo y ecológico. Centrarse en el diseño de un espaciador de alimentación óptimo en módulos enrollados en espiral (SWM) ha ganado recientemente un impulso significativo para mejorar la productividad del agua, reducir el crecimiento de (bio)incrustaciones y reducir el consumo de energía5,6.

El espaciador de alimentación en SWM sostiene mecánicamente las hojas de la membrana y promueve la inestabilidad del fluido asociada con la velocidad de corte local, lo que mejora la transferencia de masa y, en última instancia, aborda el crecimiento bacteriano7,8,9. Sin embargo, existe un valor límite de la velocidad de corte, por encima del cual se favorece la adhesión bacteriana sobre la membrana, lo que empaña la eficiencia de filtración y aumenta la caída de presión en el canal de alimentación5. Como tal, la alteración de la hidrodinámica debido a la integración del espaciador de alimentación podría influir negativamente en el proceso de filtración si su diseño no está bien optimizado5. Por lo tanto, identificar una microestructura espaciadora óptima sigue siendo, hasta ahora, un desafío para mejorar el proceso de filtración10,11.

En los últimos años, el desarrollo de la tecnología de impresión 3D ha contribuido a la creación de espaciadores de alimentación innovadores con gran versatilidad y geometría más compleja8. Las tecnologías de impresión 3D o fabricación aditiva son procesos avanzados que se basan en la creación de objetos físicos a partir de modelos de diseño asistido por ordenador (CAD) añadiendo materiales capa por capa12. Los espaciadores impresos en 3D se desarrollaron modificando las características geométricas de los espaciadores comerciales13,14,15,16 o produciendo nuevos diseños microestructurados8,17,18,19,20,21,22,23. Entre los diseños de espaciadores desarrollados recientemente, los diseños de superficie mínima triplemente periódica (TPMS)8,18, las configuraciones sinusoidales uniformes22, los espaciadores en forma de panal23, perforados20, de columna17 y helicoidales19 exhibieron un potencial para aliviar la contaminación de la membrana y mejorar la productividad del agua en el laboratorio. unidades de filtración a escala. Sin embargo, algunas limitaciones, incluida la complejidad del diseño y la debilidad de la resistencia mecánica, impiden su implementación en plantas industriales.

El presente estudio propone un nuevo diseño de espaciador basado en secciones transversales de perfiles aerodinámicos. Las formas de los perfiles aerodinámicos se utilizan comúnmente para alas de aviones, turbinas eólicas y aplicaciones de turbomaquinaria. La sección transversal del perfil aerodinámico tiene una superficie superior e inferior curvada optimizada para producir una relación favorable de fuerzas de sustentación (componente de fuerza vertical) y de resistencia (componente de fuerza horizontal) logradas ajustando el ángulo de ataque (AOA). El AOA de una microestructura de perfil aerodinámico se define como el ángulo formado por la línea de cuerda y el flujo de fluido entrante. Convencionalmente, el diseño del filamento espaciador de alimentación tiene secciones transversales circulares, y las modificaciones de diseño más recientes24 manipulan la microestructura o las dimensiones alrededor de la configuración de forma circular. Cualquier cambio en el filamento espaciador altera la porosidad del canal de filtración, lo que modifica significativamente la caída de presión del canal, la hidrodinámica local y el nivel de tensión de corte en la superficie de la membrana. Resulta en una propensión a apoyar o oponerse a la eficiencia de la filtración en términos de utilización de energía o producción de flujo de permeado. Por lo tanto, en el desarrollo del diseño de espaciadores de alimentación con filamentos circulares, resulta difícil aislar el efecto de la porosidad de los parámetros de rendimiento de la filtración.

Se propone un nuevo diseño de espaciador de alimentación que tiene filamentos en forma de perfil aerodinámico con perfil NACA141025. Hasta donde sabemos, el único intento de utilizar la forma del perfil aerodinámico en las tecnologías de filtración fue la unión de características de objetos discretos del perfil aerodinámico a la superficie de la membrana con el objetivo de optimizar numéricamente el espesor del canal de alimentación para aumentar la capacidad de empaquetamiento de la membrana26. Nuestro diseño de espaciador de perfil aerodinámico tiene la ventaja inherente de que puede manipular el rendimiento de la filtración alterando la hidrodinámica localizada ajustando el AOA del perfil aerodinámico sin afectar la porosidad del canal. Se propone un posicionamiento tipo escalera para controlar el AOA de manera efectiva, con celdas de filamento sostenidas por pilares cilíndricos en las cuatro esquinas. Ya se sabe que la orientación tipo escalera produce un mejor rendimiento de filtración27. Por lo tanto, utilizar eficazmente esta configuración es ideal ya que ayudará a controlar con precisión el AOA del filamento espaciador para influir en las condiciones de filtración dentro del canal.

En el presente estudio, primero diseñamos y fabricamos el espaciador de perfil aerodinámico para dos AOA (10◦ y 30°), denominados A-10 y A-30, respectivamente, utilizando tecnología de impresión 3D. Los diseños de espaciadores de perfil aerodinámico propuestos luego se evalúan numéricamente a un nivel elemental y se comparan con un espaciador comercial, denominado COM. Luego, los espaciadores se investigan experimentalmente en una configuración de UF de flujo cruzado a escala de laboratorio en términos de producción de flujo de permeado y consumo de energía. Su potencial para reducir el desarrollo de bioincrustaciones en la superficie de la membrana se evaluó in situ mediante tomografía de coherencia óptica (OCT).

Se diseñaron dos espaciadores de perfil aerodinámico (A-10 y A-30) y un espaciador comercial (COM) utilizando modelos CAD en el software SolidWorks (Dassault Systemes SolidWorks Corporation, versión 2018). Sus dimensiones se resumen en la Fig. 1. Los dos espaciadores de perfil aerodinámico diseñados tenían una orientación de escalera. Su diseño consta de dos filamentos paralelos tipo perfil aerodinámico conectados por delgados filamentos cilíndricos y reforzados por nodos tipo pilares que sostienen la membrana. Se mantuvieron las mismas características geométricas para los espaciadores del perfil aerodinámico, excepto el AOA de los filamentos del perfil aerodinámico que miran hacia el flujo entrante. Los ángulos de inclinación fueron de 10° y 30° para los espaciadores A-10 y A-30, respectivamente. El espesor de todos los espaciadores fue similar y se fijó para llenar la altura del canal de 1,2 mm. Los espaciadores se fabricaron capa por capa (espesor de capa = 50 µm) mediante fotopolimerización de monómeros de acrilato (longitud de onda = 405 nm) utilizando una impresora 3D basada en tecnología de estereolitografía de baja fuerza (LFS) (Formlabs, modelo Form 3).

Diseños CAD y fotografías de los espaciadores impresos en 3D: espaciador COM (A), espaciador A-10 (B) y espaciador A-30 (C). Las flechas rojas representan la dirección del flujo de fluido. Las dimensiones están en mm.

La solución de alimento preparada contiene 4 g de extracto de levadura Bacto (extracto de células de levadura autolisadas, Becton Dickinson and Company) disueltos en 1 litro de agua del Mar Rojo y se incuba a 30 °C durante 24 h para exacerbar el crecimiento de bacterias5. Después de la incubación, se añadió un volumen de 3 litros de agua del Mar Rojo a la solución bacteriana enriquecida. El volumen de alimentación final se agitó persistentemente a 200 RPM con un agitador magnético (IKA, control KS 4000 i) a temperatura ambiente y se empleó para alimentar simultáneamente todas las celdas de flujo. Se realizó una adición regular de solución de extracto de levadura (1 g/L) para mantener un volumen de alimentación total de 4 L durante todo el proceso de UF.

El rendimiento de los espaciadores de perfil aerodinámico se evaluó experimentalmente en un proceso de UF realizado durante 72 h. El aparato experimental a escala de laboratorio se describe en la Fig. 2. Aplicando las mismas condiciones operativas y solución de alimentación, se realizaron pruebas de UF de todos los espaciadores (A-10, A-30 y COM) simultáneamente. Se empleó una celda de flujo en modo de flujo cruzado para cada espaciador probado. Se integraron muestras del espaciador y de la membrana plana de UF (polietersulfona Sterlitech, límite de peso molecular de 100 kDa) con una superficie activa de 900 mm2 en el canal de alimentación que tenía una altura de 1,2 mm. Este último fue alimentado por la solución de alimentación preparada usando una bomba de engranajes (Cole-Parmer, modelo n° 75211-70, cabezal: N23). La solución concentrada se recirculó al tanque de alimentación. En la entrada y salida de la celda de flujo, se colocaron dos manómetros (Ashcroft Inc., modelo n° 1005) en cada línea de filtración para monitorear la presión hidráulica aplicada (P = 1 bar). Se instaló un caudalímetro (Dwyer, modelo n° RMB-SSV) en la salida para controlar el caudal volumétrico deseado (Q) de 200 ml/min, que corresponde a una velocidad de alimentación de entrada promedio (U0) de 0,185 m/s. Las velocidades de flujo cruzado resultantes (U) (es decir, determinadas dividiendo U0 por la porosidad del canal de filtración) en los diferentes canales llenos de espaciadores que contienen COM y espaciadores de perfil aerodinámico fueron 0,208 m/s y 0,231 m/s, respectivamente. El caudal de funcionamiento y la presión hidráulica impuesta dentro del módulo de filtración se establecieron mediante una válvula (Swagelok, modelo n° SS-1VS4) ubicada en la salida de alimentación. El peso del flujo de permeado recolectado se registró automáticamente cada 5 minutos a través de una balanza digital (Mettler-Toledo, modelo n° MS3002S) conectada a un sistema de adquisición de datos (National Instruments, LabVIEW). La caída de presión inicial que surge del diseño del espaciador se midió a través del canal de filtración utilizando un transmisor de presión diferencial (Omega Engineering, modelo n° PX5200 M5091/0112) antes del inicio del proceso de filtración.

Configuración experimental de UF asociada a los distintos instrumentos utilizados.

Se aplicó tomografía de coherencia óptica (OCT) (Thorlabs, Hyperion) para visualizar y cuantificar la biopelícula desarrollada en el canal de filtración. Se tomaron imágenes OCT tridimensionales (3D) en las superficies de las membranas para biopelículas jóvenes y maduras a las 24 h y 72 h de progreso de filtración, respectivamente. La sonda OCT se fijó en las ubicaciones exactas (8 mm × 15 mm desde la entrada de alimentación) de las membranas sucias equipadas con los espaciadores probados. Para todas las imágenes, se mantuvo la misma área escaneada de 0,49 mm × 0,44 mm con una profundidad de 1,35 mm a lo largo de la dirección del plano x-z y una resolución de 496 × 145 × 167 píxeles. De manera similar, los parámetros de escaneo se mantuvieron sin cambios: frecuencia de escaneo A = 127 Hz, longitud de onda central = 930 nm e índice de refracción = 1,35.

Las imágenes 3D-OCT adquiridas se procesaron posteriormente utilizando el software AVIZO (Field Electron and Ion Company, Hillsboro, OR, EE. UU.), donde se implementaron secuencias múltiples (es decir, reproducción de volumen, intensidad del mapa de colores y ajuste del sistema de color) para lograr una imagen clara. Visualización estructural de biomasa/membrana. Los volúmenes de biomasa desarrollados en la superficie de la membrana se determinaron mediante el procesamiento de imágenes 3D-OCT mediante pasos de secuencia múltiple a través de AVIZO, que incluyen umbrales interactivos, representación de volumen, resta de la estructura de la membrana, segmentación de imágenes y cálculo estadístico del volumen de biomasa mediante la selección de las zonas de píxeles correspondientes a la biomasa28.

El rendimiento de los espaciadores de perfil aerodinámico en el sistema UF a escala de laboratorio se evaluó mediante la producción de flujo y el consumo de energía en relación con el espaciador comercial. Los parámetros de filtración relacionados se calcularon siguiendo las Ecs. (1), (2), (3), (4), (5), (6) y (7).

El flujo de permeado producido J (LMH) se calculó mediante;

donde m (kg) es el peso del agua producida, A es el área de superficie activa de la membrana (m2) y t (h) es el tiempo de filtración.

La resistencia total Rt (m-1) representó la suma de las resistencias que surgen de la estructura de la membrana y la capa de incrustación desarrollada en la superficie de la membrana. Fue determinado por la siguiente ecuación;

Para esta ecuación, P (mPa) es la presión transmembrana aplicada y µ (mPa.s) representa la viscosidad de alimentación del fluido.

Los porcentajes de mejora del flujo y de la resistencia total de los espaciadores de perfil aerodinámico se evaluaron en relación con el espaciador comercial y se calcularon mediante;

donde los valores de J y Rt corresponden respectivamente al flujo y la resistencia total registrados en condiciones de estado estacionario.

La porosidad (ф) del canal de filtración equipado con cada espaciador probado se determinó de la siguiente manera;

donde Vspacer (m3) y Vchannel (m3) son el volumen del espaciador y el volumen del canal de filtración, respectivamente.

Los gradientes de caída de presión inicial resultantes de la integración del espaciador en el canal de alimentación se definieron por ΔP/ΔL (mbar/m), donde ΔP (mbar) es la presión diferencial sobre el canal de alimentación medida por el transmisor de presión diferencial (como se muestra en la Fig. .2) y ΔL (m) es la longitud del canal de alimentación.

El consumo de energía E (kW) se definió como la energía consumida por todo el sistema de filtración para producir el flujo de permeado. Fue determinado por los caudales volumétricos de alimentación y permeado asociados con la caída de presión relacionada con el diseño del espaciador17. Se asumió que la energía consumida por el lado del permeado era insignificante ya que la circulación del flujo de permeado desde la celda de flujo hasta el tanque de permeado estaba gobernada esencialmente por la fuerza gravitacional. E (vatios) se estimó de la siguiente manera;

donde Q (m3/s) es el caudal de alimentación volumétrico, ΔP (N/m2) es la caída de presión inicial del canal de alimentación y ɳ representa la eficiencia de la bomba de alimentación que se supone completa (ɳ = 100%) para todos los experimentos de UF.

El consumo específico de energía SEC (kW.h/m3) se consideró como la energía gastada por el sistema de filtración para producir una cantidad unitaria de flujo17 dada por;

donde Qp (m3/h) representa el caudal volumétrico del permeado en condiciones de estado estacionario.

La hidrodinámica de los canales de filtración con diferentes espaciadores probados se calculó utilizando simulaciones numéricas directas (DNS) con flujo asentado en estado laminar (estable o inestable) para resolver la distribución espacial y transitoria del flujo de fluido. Los cálculos se realizaron para dos células espaciadoras enteras y dos mitades. El enfoque numérico utilizado pudo resolver las ecuaciones de Navier-Stokes con precisión sin integrar ningún modelo turbulento. La metodología numérica utilizada se presenta en nuestro estudio anterior29. Los detalles del dominio computacional y la convergencia de malla se pueden encontrar en el documento de Información complementaria (SI). Se supuso que el fluido tenía propiedades newtonianas y que la superficie de la membrana se consideraba una pared sólida. La condición de límite de no deslizamiento se aplicó asumiendo paredes impermeables, ya que los componentes de velocidad cerca de la membrana para un dominio computacional pequeño son insignificantes29. Teniendo en cuenta la simetría y la replicación de las células espaciadoras, se impusieron condiciones de contorno periódicas en la dirección transversal.

Todas las ecuaciones rectoras y las condiciones de contorno apropiadas se resolvieron en un marco de volumen finito mediante el solucionador comercial ANSYS Fluent 2020 R1 (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, EE. UU.). El dominio computacional se discretizó en 12,6 millones de volúmenes de control. Se utilizaron formulaciones de segundo orden para la discretización espacial y temporal. El término convectivo en la formulación de presión se discretizó aplicando el enfoque QUICK (Interpolación cuadrática ascendente para cinemática convectiva)30. Para acoplar la presión-velocidad se utilizó el algoritmo PISO (Pressure Implicit with Split Operador)31. Debido a la gran cantidad de ecuaciones discretizadas, todas las simulaciones se realizaron utilizando 1024 núcleos en el procesador Intel Haswell (2 zócalos de CPU por nodo, 16 núcleos por CPU, 2,3 GHz con 128 GB de memoria por nodo) como lo ofrece KAUST. Instalación de supercomputación (SHAHEEN II)32.

Se investigaron meticulosamente simulaciones de hidrodinámica esencial seguidas de una evaluación experimental del rendimiento de UF para espaciadores de perfil aerodinámico y se compararon con el espaciador comercial.

Se realizó un análisis numérico para proporcionar un indicador del rendimiento de la filtración antes de realizar los experimentos de filtración.

La caída de presión de flujo cruzado en un canal lleno de espaciador es un parámetro vital al diseñar un espaciador de alimentación, ya que el consumo de energía específico del sistema de filtración depende en gran medida de las características geométricas del espaciador17,33. Una caída de presión inicial más significativa requeriría un mayor consumo de energía de la bomba para empujar la solución de alimentación a través del módulo de membrana. Este escenario se vuelve más impactante cuando se produce bioincrustación dentro del canal con la evolución de la filtración y aumenta la caída de presión, lo que resulta en un mayor consumo de energía. Por tanto, un diseño de espaciador óptimo ofrece una baja caída de presión del canal de filtración. Al mismo tiempo, el diseño apropiado del espaciador genera una hidrodinámica local inestable, que no es favorable para el crecimiento de bioincrustaciones5.

Antes del inicio del proceso de UF, se estimó la caída de presión del canal de flujo cruzado para cada espaciador para investigar el impacto del diseño del espaciador en la generación de pérdida de presión a través del canal de filtración sin la interferencia del efecto de contaminación. La Figura 3A muestra la comparación de los gradientes de caída de presión en función de la velocidad de alimentación de entrada promedio del canal para los espaciadores de perfil aerodinámico. A modo de comparación, se presentan el espaciador COM y el espaciador de pilar desarrollados por Ali et al.17, que tienen el mismo espesor de canal de 1,2 mm. El espaciador COM tenía el gradiente mínimo de caída de presión en el rango medido de velocidad de alimentación de entrada (U0 = 0,046–0,277 m/s, Re = 55,2–332,4), seguido de espaciadores de perfil aerodinámico y luego espaciadores de pilar. El espaciador A-10 tuvo una caída de presión menor que el espaciador A-30. Aunque no hubo diferencia entre las dimensiones del espaciador del perfil aerodinámico, el espaciador A-30 produjo más fuerza de arrastre hidrodinámica que el espaciador aerodinámico A-10, lo que resultó en un mayor gradiente de caída de presión. A medida que el flujo de alimentación entrante ingresa al canal de filtración frente al filamento del perfil aerodinámico con mayor AOA, el espaciador A-30 tiende a obstruir el flujo entrante de manera más prominente que el espaciador A-10, provocando una mayor fuerza de arrastre del fluido.

Variación experimental de los gradientes diferenciales de caída de presión inicial en función de la velocidad de alimentación de entrada junto con la porosidad de los canales integrados con los diferentes espaciadores antes del crecimiento del biofouling (A), comparación de sus correspondientes gradientes experimentales y numéricos de caída de presión diferencial en la alimentación promedio de entrada. velocidad de U0 = 0,185 m/s (B).

A una altura de canal fija, el diseño del espaciador que produce una menor caída de presión tiene una alta porosidad del canal y, por lo tanto, una velocidad de flujo transversal más baja para una velocidad de alimentación de entrada constante34. De acuerdo con este enfoque, la Fig. 3A mostró que a medida que aumentaba la porosidad del canal, el gradiente de caída de presión disminuía para la misma altura del canal. Aunque el diseño del espaciador comercial reveló una caída de presión menor que el diseño de perfil aerodinámico, se promovió aún más una menor velocidad de flujo cruzado en el canal lleno de espaciador comercial (U = 0,208 m/s contra 0,231 m/s para el diseño de perfil aerodinámico). En consecuencia, se anticipó una mayor producción de flujo de permeado utilizando espaciadores de perfil aerodinámico independientemente del valor de AOA. Además, los espaciadores de perfil aerodinámico que tenían la misma porosidad del canal (es decir, la misma velocidad del canal de flujo cruzado) alteraron significativamente la caída de presión debido a las diferentes fuerzas de arrastre hidrodinámicas generadas por la variación del AOA (10° y 30°). Curiosamente, el diseño del espaciador de perfil aerodinámico puede manipular el gradiente de caída de presión del canal y, por lo tanto, controlar el consumo de energía variando solo la resistencia hidrodinámica local, que se induce modificando el AOA sin ninguna alteración de la velocidad del flujo cruzado en el canal de filtración.

Se realizaron cálculos numéricos en espaciadores comerciales y de perfil aerodinámico para la validación del modelo numérico. La Figura 3B comparó los gradientes de caída de presión numéricos y experimentales en U0 = 0,185 m/s (velocidad de alimentación de entrada promedio aplicada en las pruebas de UF). El modelo numérico capturó con precisión la caída de presión experimental para el espaciador COM y razonablemente bien para A-10 con una desviación de error de menos del 3 %. Sin embargo, la comparación varió un 7% para la A-30. Esta mayor variación entre los valores de caída de presión experimentales y numéricos para el espaciador A-30 se asoció principalmente con condiciones hidrodinámicas inestables, a diferencia de los otros espaciadores (posteriormente demostrado en la sección "Condiciones hidrodinámicas a nivel elemental del espaciador de perfil aerodinámico"). En condiciones hidrodinámicas inestables, el promedio del flujo espacial y temporal es crítico y a menudo resulta en comparación con errores relativamente más significativos35,36 como se observa para el espaciador A-30. Además, debido a pequeñas discrepancias dimensionales durante la impresión 3D, el entrelazado numérico de intrincados diseños de espaciadores junto con el error de lectura de los equipos involucrados en los experimentos podrían contribuir en general a errores de validación.

Aunque el diseño del espaciador se centra principalmente en aumentar la porosidad del canal reduciendo la sección transversal del filamento, la posibilidad de activar la hidrodinámica localizada en condiciones inestables también disminuye, lo que favorece un mayor potencial de crecimiento de biopelículas5,37. Como se observó, el espaciador COM produjo una caída de presión inicial menor que los espaciadores de perfil aerodinámico. Sin embargo, se sabe que el diseño del espaciador COM tiene condiciones hidrodinámicas estables38 en condiciones operativas típicas de filtración y, por lo tanto, se favorece una mayor bioincrustación39. Con el diseño de espaciador de perfil aerodinámico, la resistencia hidrodinámica o la caída de presión se pueden controlar bien variando el AOA sin alterar la porosidad del canal, lo que ofrece un parámetro de control adicional al diseñar espaciadores de alimentación novedosos y eficientes.

Comprender la hidrodinámica local a nivel elemental es una parte esencial del diseño del nuevo espaciador. Si la velocidad de entrada del fluido se mantiene constante, el diseño del espaciador altera significativamente la velocidad local dentro del canal, lo que produce diferentes tensiones de corte hidrodinámicas en la superficie de la membrana5,17,33. La alta tensión de corte espacial en la membrana ayuda a minimizar la polarización de concentración40. Sin embargo, es perjudicial para los procesos de prefiltración (como UF o NF) basados ​​en alimentos biológicamente activos, donde un alto estrés cortante localizado favorece la formación de biopelículas en las superficies de las membranas5. Por lo tanto, dependiendo de la aplicación, se debe medir un diseño de espaciador apropiado a un nivel elemental para aumentar significativamente el rendimiento de la filtración.

La Figura 4A mostró la variación temporal de la velocidad x en función del tiempo en una ubicación espacial específica detrás de la intersección del filamento dentro del dominio computacional para todos los espaciadores. Cuando el flujo evolucionó por completo, se pudo ver a partir de la señal temporal de la sonda numérica que el flujo dentro del canal que tenía el espaciador COM era estable. Mientras que para el espaciador A-10, el flujo aún era estable con una mínima perturbación en la señal temporal. Por otro lado, el espaciador A-30 mostró claramente un fuerte flujo inestable dentro del canal.

Comportamiento del componente temporal de velocidad x para la sonda numérica colocada en el dominio de cálculo en (X = 8 mm, Y = 0,05 mm, Z = 4 mm) y (X = 10,35 mm, Y = 0,05 mm, Z = 2,56 mm) para perfil aerodinámico y espaciadores comerciales, respectivamente (A) y representación esquemática de la línea de flujo para varios AOA con un número de Reynolds bajo (B).

El rendimiento aerodinámico de perfiles aerodinámicos y cuerpos aerodinámicos es una función importante de la transición laminar-inestable y, en consecuencia, del número crítico de Reynolds (Re). Sin embargo, en los procesos de filtración, las velocidades de flujo del canal (o Re) son en su mayoría fijas debido a restricciones operativas. Por lo tanto, para lograr una transición de flujo inestable en el canal de filtración, el AOA es un parámetro vital a considerar. De hecho, los estudios aerodinámicos41 con un número de Re bajo indican que el inicio de la transición inestable se produce debido a la burbuja de separación del flujo instigada por el impacto de la capa de corte en la curvatura superior del perfil aerodinámico. Para AOA < 5◦, la burbuja de separación del flujo no es visible y el flujo entrante se desprende en el borde anterior creando un punto de estancamiento (punto de presión más alto). En este escenario, la reinserción de las líneas de corriente se produce cerca del borde de salida afilado del perfil aerodinámico (Fig. 4B). A medida que aumenta el AOA, el punto de separación se mueve hacia abajo, hacia la curvatura inferior, mientras que el punto de reconexión del flujo se mueve hacia arriba, hacia la curvatura superior del perfil aerodinámico. Dependiendo del número Re, la burbuja de separación de flujo aparece para AOA > 5°. Con un número Re muy bajo, la burbuja de separación formada cerca del borde de salida proporciona pequeñas perturbaciones en el flujo. Si el AOA aumenta aún más, la burbuja de separación se desestabiliza y, en última instancia, conduce a un desprendimiento de tipo Von-Karman42. Con un número de Re razonable, el flujo transita completamente a un estado inestable con una intensidad que depende del número de Re.

Como se mencionó anteriormente, se observaron transiciones hidrodinámicas similares para los filamentos espaciadores del perfil aerodinámico. La Figura 5A mostró las líneas de corriente en el plano central de los espaciadores del perfil aerodinámico. Claramente, una pequeña burbuja de separación era visible en el borde de salida del espaciador A-10, mientras que para el A-30 la burbuja de separación creció y se alejó del borde de salida y finalmente estalló en un rumbo inestable, como se ve en la señal de tiempo del número. sonda (Fig. 4A).

Patrones de trazas de corriente extraídos mediante cálculos numéricos en el plano X-Z para los espaciadores A-10 (arriba) y A-30 (abajo) que representan el desarrollo de flujo constante e inestable dentro del canal de filtración (A), contornos de magnitud de velocidad espacial en varias ubicaciones para el espaciador COM (B), espaciador A-10 (C) y espaciador A-30 (D). La imagen de la izquierda de cada grupo es el trazado del contorno en el plano X–Y en el medio del canal y la imagen de la derecha es el contorno en el plano inferior muy cerca de la pared. La imagen del medio se toma para el contorno en varios planos Y–Z y X–Z.

Para investigar las condiciones hidrodinámicas locales que ocurren dentro de una celda elemental, se trazaron contornos de magnitud de velocidad de flujo en varios cortes dentro del dominio computacional como se presenta en las Figs. 5B–D para diferentes espaciadores. Para todos los espaciadores, las magnitudes de velocidad se recuperaron localmente debajo de los filamentos espaciadores que satisfacían la conservación de masa y momento, que eran proporcionales a las regiones de espacio libre del filamento y las formas de la sección transversal5,17.

El espaciador comercial produjo un campo de flujo asimétrico (Fig. 5B), debido a un diseño no tejido. En el plano medio, se observó una magnitud de baja velocidad detrás de los filamentos debido a los vórtices de recirculación, que típicamente se observaban detrás de los flujos del cuerpo farol43. En el centro de la celda del filamento espaciador, el flujo entrante segregado por la unión del filamento asimétrico se fusionó y ganó velocidad. En el plano cercano a la pared, se observó una magnitud de baja velocidad.

Para el espaciador A-10 (Fig. 5C), el flujo entrante se separó por el borde delantero de la sección transversal del perfil y, debido al espacio limitado entre la curvatura del perfil y las paredes superior e inferior, la velocidad del flujo local aumentó y alcanzó un magnitud de velocidad más alta (~ 0,6 m/s) para satisfacer la conservación de masa. Para el espaciador A-30, la brecha se redujo aún más. Por lo tanto, en este caso se observó un aumento significativo en la velocidad del flujo (~ 1 m/s), especialmente cerca de la pared (Fig. 5D). En el plano medio del canal para el espaciador A-10 (planos Y – Z y X – Y), se observó una magnitud de velocidad más alta en condiciones estables. En comparación, la magnitud de la velocidad fue menor para el espaciador A-30, pero los efectos inestables aumentaron a lo largo de la dirección del flujo de una celda a otra. En principio, se esperaba que si se utilizaban más celdas de flujo, el canal finalmente transitaría a un estado inestable con un AOA de 30°. La menor magnitud de flujo se detectó detrás del pilar sujeto por un filamento cilíndrico en ambos casos. Sin embargo, el espaciador A-30 tenía una ventaja adicional gracias a su comportamiento inestable. La mezcla y el desprendimiento de vórtices (incluidos los vórtices generados por pilares cilíndricos) proporcionaron suficiente impulso para barrer activamente las zonas de baja velocidad. Esto puede manifestarse fácilmente al suponer que la deposición de incrustaciones tiene menos posibilidades de conformarse con el espaciador A-30 que con el A-10.

En conclusión, el espaciador de perfil aerodinámico proporciona una mayor velocidad de flujo cruzado debido a la menor porosidad del canal creada por el diseño, lo que predice un aumento del flujo de permeado en relación con el diseño comercial. Además, se necesita un aumento del AOA en el diseño del perfil aerodinámico (es decir, un aumento de la caída de presión) para generar un estado inestable del flujo en el canal de filtración, como se demuestra en el caso del espaciador A-30. En consecuencia, se prevé una mejora del rendimiento de filtración y mitigación de incrustaciones a expensas del consumo de energía debido a la inestabilidad promovida por el aumento de AOA. Por lo tanto, la determinación del consumo de energía específico (que se analiza más adelante en la sección “Producción de flujo de permeado y requisitos relativos de energía de filtración”) es crucial para evaluar los beneficios totales del uso de un espaciador de perfil aerodinámico en comparación con el espaciador comercial.

Los perfiles de flujo espacial localizados se extrajeron del campo de cálculo 3D en ubicaciones críticas, como se presenta en la Tabla 1. Para todos los espaciadores, las líneas espaciales L1 y L3 se colocaron en ubicaciones similares en dos celdas de filamento adyacentes en la dirección Z a la altura media del canal. mientras que L2 y L4 estaban en ubicaciones cercanas a la pared (o superficie de la membrana) (Fig. 6A, B).

Perfiles de flujo elementales locales calculados en varias ubicaciones dentro del dominio de cálculo. Ubicaciones espaciales del perfil de flujo en varias ubicaciones para el espaciador COM (A) y los espaciadores de perfil aerodinámico (B), componente de velocidad x del flujo a lo largo del perfil de flujo para el espaciador COM (C), el espaciador A-10 (D) y el A-30. espaciador (E) y perfiles de capa límite para todos los espaciadores en el centro de la celda espaciadora (F).

Para los espaciadores comerciales, la hidrodinámica local es ligeramente diferente a la de los espaciadores de perfil aerodinámico (Fig. 6C). Para las líneas L1 y L3, la magnitud máxima de la velocidad x a lo largo de la dirección de la corriente alcanzó entre 0,3 y 0,4 m/s, un poco menos que el espaciador A-10 (0,4–0,5 m/s) (Fig. 6D). Además, los perfiles de L1 y L3 no coincidieron (como se ve en el espaciador A-10), incluso cuando el flujo dentro del canal era estable. Esto se atribuye a la asimetría producida por el diseño no tejido. La magnitud de la velocidad x de la ubicación L4 cerca de la superficie de la membrana fue aproximadamente similar a la del espaciador A-10. Sin embargo, el perfil de flujo L2 a lo largo de la intersección del filamento tenía una magnitud de velocidad x más baja con una velocidad x ligeramente negativa.

Para el espaciador A-10 (Fig. 6D), el perfil de velocidad x a lo largo de la línea espacial L1 y L3 se superpuso, lo que sugiere claramente la presencia de un estado estacionario en las celdas de flujo adyacentes. En la ubicación espacial L4, el impulso del fluido se desvió hacia la pared debido al pequeño AOA de 10◦, aumentando la magnitud de la velocidad x. La ubicación L4 tenía una magnitud de velocidad más baja (0,3–0,4 m/s) que la ubicación media L3 o L1, que parecía tener la velocidad localizada más alta ~ 0,4–0,5 m/s en las celdas espaciadoras. La velocidad más baja se observó detrás de los pilares en la ubicación L2, donde los valores negativos de la velocidad x sugirieron la presencia de un vórtice constante que parece ser la ubicación potencial para la acumulación de suciedad.

Para el espaciador A-30 (Fig. 6E), el impulso del fluido entrante se desvió efectivamente hacia la superficie de la membrana. La ubicación espacial L1 y L3 no se superpusieron, lo que sugiere claramente la presencia de un flujo inestable. Se logró un aumento significativo en la velocidad del flujo en la ubicación L4, a medida que el espacio entre el borde de salida del perfil aerodinámico se acercó a la pared, reduciendo el área de la sección transversal del flujo, mejorando así significativamente la magnitud de la velocidad x local. Para este caso, la velocidad más alta se observó en la ubicación L4, con valores que alcanzaron entre 0,8 y 1 m/s. Además, el flujo detrás del pilar (ubicación L2) mostró una velocidad x negativa mayor, con perfiles cambiando en cada celda espaciadora posterior. Indica que el vórtice detrás del pilar se estaba desprendiendo, barriendo la pared detrás de los pilares. En principio, esto es ideal para fines de filtración, ya que no permitirá la formación de suciedad detrás del pilar, lo que mejorará el rendimiento de la filtración.

Contrariamente al diseño del espaciador comercial, en la misma ubicación L2 la magnitud de la velocidad x generalmente permanece negativa a lo largo de la dirección del espaciador, lo que sugiere que el vórtice detrás del pilar del espaciador del perfil aerodinámico se extiende en un volumen mayor que el del espaciador comercial. Desde una perspectiva hidrodinámica, los vórtices inestables son ventajosos ya que producen un esfuerzo cortante oscilatorio en la superficie de la membrana, lo que es eficaz para limpiar o retrasar el crecimiento de biopelículas5.

También se extrajeron los perfiles de la capa límite para los tres espaciadores para evaluar la variación de la velocidad local a lo largo de la altura del canal (Fig. 6F). El perfil de la capa límite se extrajo en el medio de la celda del filamento espaciador a lo largo de la línea L5, como se muestra en la Fig. 6A, B. Las magnitudes locales de velocidad x se encontraron más altas para el espaciador A-30 seguido por el espaciador A-10 y luego el espaciador COM. El aumento del AOA en el diseño del espaciador del perfil aerodinámico produce un campo de velocidad localizado más alto, lo que puede ser beneficioso para la eliminación de incrustaciones y la mitigación de la polarización de la concentración. Sin embargo, un AOA más alto se asocia con una mayor resistencia hidrodinámica, lo que potencialmente consume más energía de filtración. Un AOA óptimo idealmente dependería del tipo de alimentación, el proceso de filtración y las condiciones del proceso.

El espaciador de perfil aerodinámico propuesto está diseñado principalmente para mejorar el rendimiento de la filtración y controlar inherentemente el crecimiento de biopelículas. Por lo tanto, comprender la distribución espacial del esfuerzo cortante es esencial en un marco numérico. La Figura 7 muestra la distribución espacial del esfuerzo cortante para todos los espaciadores a una velocidad de entrada uniforme de Uo = 0,185 m/s.

Contornos de tensión cortante computacional para el espaciador COM (A), el espaciador A-10 (B) y el espaciador A-30 (C) en la pared inferior del dominio computacional.

Para los espaciadores de perfil aerodinámico, la distribución de la tensión de corte se distribuyó simétricamente sobre cada celda del espaciador en comparación con el espaciador comercial. Como el espaciador COM no está tejido, solo una capa de filamento toca la pared (o membrana), mientras que la otra capa de filamento sostiene la pared opuesta, lo que conduce a una distribución asimétrica del esfuerzo cortante en la superficie de la membrana (Fig. 7A). La tensión de corte más alta se observó debajo del filamento para todos los espaciadores. Para los espaciadores de perfil aerodinámico (Fig. 7B, C), el esfuerzo cortante fue más uniforme y se distribuyó uniformemente. Para el espaciador A-10, fue visible un leve aumento en el esfuerzo cortante en los lados del pilar central (Fig. 7B), junto con la ubicación espacial donde estaba presente el borde de salida. La magnitud del esfuerzo cortante bajo el filamento del perfil aerodinámico del espaciador A-10 fue similar al del espaciador COM (8–16 N/m2). Sin embargo, la región central de la celda espaciadora tuvo una tensión de corte relativamente mayor para el espaciador A-10 (6–7 N/m2), en comparación con el espaciador COM (3–4 N/m2).

Por otro lado, el espaciador A-30 mostró un valor de tensión de corte relativamente alto debajo de los filamentos (34–40 N/m2). La región central de la celda espaciadora también tuvo un valor de tensión de corte oscilatorio más alto (10–14 N/m2). Los valores elevados de tensión de corte en la superficie de la membrana pueden generar bioincrustaciones iniciales más rápido5,37,44. Sin embargo, como el flujo localizado era completamente inestable para el espaciador A-30, impediría o retrasaría el crecimiento bacteriano.

Después de evaluar el rendimiento elemental de los espaciadores del perfil aerodinámico, se los evaluó experimentalmente para medir el rendimiento del UF y la propensión a la contaminación biológica.

La Figura 8 muestra la variación del flujo de permeado, la resistencia total y la energía consumida utilizando perfiles aerodinámicos y espaciadores comerciales en el proceso de UF. Para todos los espaciadores probados, la disminución del flujo podría describirse mediante dos etapas esenciales: una fuerte caída en el período de filtración inicial seguida de una fase de estado estacionario (Fig. 8A). En el período de filtración inicial, el flujo de permeado disminuyó rápidamente debido a la obstrucción de los poros de la membrana asociada con la deposición de una capa inicial de incrustación en la superficie de la membrana de UF45. Con el crecimiento del espesor de la capa de incrustación, la tasa de reducción del flujo se volvió más lenta para alcanzar el enfoque de estado estacionario46,47. Como se observa en la Fig. 8A, se necesitó más tiempo de filtración (≈ 45 h) para alcanzar el flujo en estado estacionario para el espaciador A-30 en comparación con los otros espaciadores. Lo más probable es que esto se atribuya al continuo barrido de las incrustaciones de la superficie48. Se descubrió que este último espaciador supera a los espaciadores COM y A-10 en términos de flujo de permeado en estado estacionario. Independientemente del AOA de los espaciadores de perfil aerodinámico, la integración de este novedoso diseño de espaciador dentro del canal de filtración ayudó a mejorar significativamente la producción de flujo en un 128 % y 228 % para A-10 y A-30, respectivamente, en relación con el diseño comercial (Fig. .8B).

Actuaciones experimentales de perfiles aerodinámicos y espaciadores comerciales en el proceso UF. Evolución del flujo de permeado sobre el progreso de UF (A), la mejora porcentual de los parámetros de filtración introducida mediante el uso de espaciadores de perfil aerodinámico en relación con el espaciador comercial (B), la evolución de la resistencia total en función del tiempo de filtración (C) y el rendimiento energético ( D) para los diferentes espaciadores ensayados. Para (A), la primera medición de flujo se produjo a los 5 minutos del proceso de filtración para todas las curvas.

La resistencia total (Rt) se define como la suma de las resistencias que surgen de la estructura de la membrana y la torta de bioincrustación. Como se utilizó el mismo tipo de membrana UF en todas las pruebas, se asumió que la resistencia de la membrana era constante para todos los casos de espaciador. Por lo tanto, se considera que Rt refleja la resistencia al ensuciamiento desarrollada durante el tiempo de filtración debido al desarrollo de ensuciamiento a lo largo de las pruebas de UF de los diferentes espaciadores. Siguiendo la ecuación. (2), Rt es inversamente proporcional al flujo producido en un momento determinado para condiciones de operación fijas (presión y solución de alimentación). Por lo tanto, se ha predicho que cuanto mayor sea el flujo producido por un diseño espaciador, menor será la incrustación desarrollada en la membrana de UF. Esta hipótesis fue confirmada por el gráfico de la Fig. 8C donde se observó la mayor resistencia para el espaciador comercial que tenía el flujo más bajo, seguido por el espaciador A-10 y luego el A-30. Los espaciadores de perfil aerodinámico redujeron la resistencia a la bioincrustación en un 56 y un 70 % en relación con el espaciador comercial (Fig. 8B). Este hallazgo demostró que el potencial de bioincrustación relacionado era menor para los espaciadores de perfil aerodinámico. De manera similar al flujo de permeado, las tendencias de resistencia podrían dividirse en dos regiones dependiendo de la pendiente de la curva de resistencia. Para el espaciador COM, la pendiente fue más alta durante las primeras 25 h y cambió gradualmente a un valor más bajo después de este tiempo de filtración. Se observaron tendencias similares para los espaciadores A-10 y A-30, con valores de pendiente aún más reducidos.

Estos hallazgos indicaron que la formación de bioincrustación fue agresiva en presencia de espaciadores COM y A-10 atribuidos a la naturaleza estable de la hidrodinámica (como se analiza en la sección "Condiciones hidrodinámicas a nivel elemental del espaciador del perfil aerodinámico") dentro del canal de filtración5. Por el contrario, la inestabilidad del flujo de alimentación generada por el espaciador A-30 a nivel elemental resultó en un retraso sustancial en el crecimiento de bioincrustaciones en la superficie de la membrana5,49.

Aplicando las mismas condiciones de operación, la energía (E) consumida por el sistema de filtración integrado con diferentes espaciadores está intrínsecamente correlacionada con la correspondiente caída de presión inicial en el canal de alimentación (Ec. (6)). Normalizado al consumo del espaciador COM, se encontró que el espaciador A-30 que tenía el mayor gradiente de caída de presión (Fig. 3A) consumía la mayor energía de filtración, como se ve en la Fig. 8D. Sin embargo, otro factor importante que debe tenerse en cuenta para el aspecto de ingeniería del diseño del espaciador es el comportamiento hidrodinámico promovido en el canal de filtración, que determina el potencial de incrustación y la producción de flujo de permeado5,33,50. Por lo tanto, se evalúa el rendimiento óptimo del diseño del espaciador dependiendo no sólo de la energía consumida por el sistema de filtración sino también del flujo de permeado relativo producido. Luego se examinó el parámetro de consumo de energía específico (SEC), que correlaciona la energía requerida con el flujo producido (Ec. (7)) para proporcionar una evaluación precisa y completa del desempeño del diseño del espaciador en el sistema de filtración17,51. Los valores de SEC se normalizaron para el espaciador COM y se encontró que eran más bajos para los espaciadores de perfil aerodinámico (Fig. 8D). El flujo en estado estacionario más alto y la resistencia a la suciedad más baja (Fig. 8A-C) contra el flujo de fluido equipado con espaciadores de perfil aerodinámico mejoraron el SEC en un 23% en comparación con el espaciador COM.

El crecimiento de la bioincrustación es un fenómeno perjudicial en las tecnologías de filtración, que causa el deterioro del rendimiento de la filtración y un aumento excesivo del costo de la energía debido a la disminución del flujo resultante y al aumento de la caída de presión del canal52,53. Por lo tanto, el control de la acumulación de bioincrustaciones representa un desafío importante a considerar al diseñar un espaciador de alimentación con características novedosas33. Por lo tanto, se examinó el potencial de incrustación de todos los espaciadores utilizando imágenes OCT en las etapas temprana (24 h de UF) y desarrollada (72 h de UF) de formación de bioincrustación (Fig. 9).

Caracterización OCT del biofouling desarrollado en la superficie de la membrana a las 24 h y 72 h de evolución de la prueba UF: visualización del biofouling (A) y volumen promedio de biomasa (B) en presencia de diferentes espaciadores probados.

Independientemente del tiempo de filtración, las imágenes 3D-OCT in situ revelaron que la torta de bioincrustación más gruesa se desarrolló con el espaciador COM, donde se visualizó un material de biomasa denso y heterogéneo que cubría toda el área escaneada de la superficie de la membrana (Fig. 9A). Se estimó que los volúmenes correspondientes de biomasa en diferentes tiempos de filtración eran 0,010 y 0,015 mm3 a las 24 h y 72 h, respectivamente (Fig. 9B). Para el espaciador A-10, se observó una fina capa de bioincrustación (V biomasa = 0,003 mm3) a las 24 h de UF, mientras que la membrana equipada con el espaciador A-30 se encontró más limpia (V biomasa = 0,002 mm3) al mismo tiempo de filtración. Con el progreso de la filtración (72 h), se identificó una mayor deposición de bioincrustaciones para ambos espaciadores de perfil aerodinámico con volúmenes de biomasa de 0,006 y 0,004 para los espaciadores A-10 y A-30, respectivamente.

Los espaciadores de perfil aerodinámico permitieron mitigar el desarrollo de bioincrustaciones en la superficie de la membrana UF en un 62 % (para A-10) y un 74 % (para A-30) en comparación con el espaciador COM. El rápido crecimiento bacteriano en presencia del espaciador COM se atribuyó a la naturaleza estable de la hidrodinámica dentro del canal, así como a la baja tensión de corte en la mayoría de las regiones de la membrana (sección "Condiciones hidrodinámicas a nivel elemental del espaciador de perfil aerodinámico"). Aunque también se observaron condiciones hidrodinámicas estables para el espaciador A-10, la tensión de corte producida fue relativamente mayor que la del espaciador COM y se distribuyó uniformemente en la superficie de la membrana. Esto resultó en una menor resistencia a la contaminación y una mayor producción de flujo para el espaciador A-10 en comparación con el espaciador COM (Fig. 8A-C), que también tiene condiciones hidrodinámicas estables. Sin embargo, el espaciador A-30 promovió una mayor inestabilidad del fluido en el canal, minimizando el crecimiento bacteriano y la resistencia al ensuciamiento, y maximizando la producción de flujo de permeado.

En el presente estudio, se proponen, diseñan y fabrican novedosos espaciadores de alimentación de perfiles aerodinámicos simétricos en forma de escalera utilizando tecnología de impresión 3D. Los espaciadores de perfil aerodinámico se evalúan sistemáticamente y se comparan con el diseño de espaciador comercial (COM), que se utiliza de manera destacada en todos los módulos de filtración en espiral. Se prueban dos espaciadores de perfil aerodinámico (A-10 y A-30) principalmente cambiando el ángulo de ataque (AOA) de 10° a 30°. Estos espaciadores se investigan primero numéricamente para dilucidar la hidrodinámica localizada que ocurre dentro del canal de flujo. Luego, se probaron experimentalmente espaciadores reales impresos en 3D para el proceso de ultrafiltración. Los resultados de este estudio se resumen a continuación:

Cuanto mayor es el AOA, más considerable es la resistencia hidrodinámica que se genera, lo que produce una caída de presión más significativa.

Se encuentra que el flujo dentro del canal de filtración para los espaciadores COM y A-10 es de naturaleza estable, mientras que es inestable para el espaciador A-30, lo que produce la velocidad local más alta.

Se observa separación de flujo detrás de los pilares para los espaciadores de perfil aerodinámico. El vórtice del espaciador A-30, al ser inestable, produce continuamente desprendimiento de vórtice, lo que resulta en una mejor limpieza que COM y el espaciador A-10.

La tensión de corte fluctuante más alta se observa en el espaciador A-30, lo que da como resultado el menor crecimiento de bioincrustaciones, como lo confirma la tomografía de coherencia óptica in situ.

Bajo las mismas condiciones operativas, los flujos de permeado son mayores para los espaciadores de perfil aerodinámico con un aumento porcentual del 228% y 128% para A-30 y A-10, respectivamente, en relación con el espaciador COM.

El consumo de energía específico es un 23% menor para los espaciadores de perfil aerodinámico en comparación con los espaciadores COM.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Flujo permeado

Peso

tiempo de filtración

Área activa de la membrana

Presión transmembrana

Resistencia total

Viscosidad del fluido

Porosidad del canal

Volumen

Caída de presión del canal

Longitud del canal

Caudal volumétrico de alimentación

Caudal volumétrico del permeado

Consumo de energía

Consumo energético específico

Velocidad de alimentación de entrada

Velocidad del canal de flujo cruzado

número de reynolds

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La investigación presentada en este artículo fue apoyada por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), Arabia Saudita. Los autores agradecen la ayuda, asistencia y apoyo del personal del Centro de Reutilización y Desalinización de Agua (WDRC).

Este trabajo fue financiado por la línea de base del profesorado de KAUST, BAS/1/1086-01-01.

Estos autores contribuyeron igualmente: Adnan Qamar y Sarah Kerdi.

Centro de Desalinización y Reutilización de Agua (WDRC), Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Adnan Qamar, Sarah Kerdi, Johannes S. Vrouwenvelder y Noreddine Ghaffour

Programa de Ingeniería y Ciencias Ambientales, División de Ingeniería y Ciencias Biológicas y Ambientales (BESE), Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Johannes S. Vrouwenvelder y Noreddine Ghaffour

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AQ, SK y NG desarrollaron el concepto y realizaron el procedimiento experimental. SK llevó a cabo los experimentos. AQ realizó las simulaciones. SK y AQ redactaron el manuscrito. JSV contribuyó al análisis de datos sobre bioincrustaciones. NG lideró el proyecto. Todos los autores contribuyeron en discusiones, realizaron análisis de datos, proporcionaron revisiones críticas y aprobaron la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Sarah Kerdi o Noreddine Ghaffour.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Qamar, A., Kerdi, S., Vrouwenvelder, JS et al. Espaciador de alimentación de filamentos en forma de perfil aerodinámico para mejorar el rendimiento de filtración en el tratamiento de agua. Representante científico 13, 10798 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37885-5

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Recibido: 12 de abril de 2023

Aceptado: 29 de junio de 2023

Publicado: 04 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37885-5

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