矿井水水质卷式反渗透膜的数值模拟研究

矿井水水质卷式反渗透膜的数值模拟研究

耐盐性能模拟渗透是通过外界压力克服膜两侧的渗透，从溶液中分离溶剂的过程。广泛应用于海水淡化、纯水制造、回收中水和废水处理等领域。反渗透原水水质组成通常较复杂，含有多种无机盐成分，以矿井水为例，主要无机盐成分为Na本文通过建立全尺度CFD模型来模拟商用卷式反渗透膜元件(陶氏BW30-400)在实际运行中的脱盐表现，在Gu等1模型的计算和验证1.1水质成分分析本文对内蒙古某煤矿600t/h矿井水处理厂的第一级卷式反渗透膜进行研究。该反渗透膜进水溶解性固体总量(TDS)为2608.5mg/L，主要无机盐阳离子为钠离子881mg/L，阴离子为硫酸根和氯离子，分别为1030和393mg/L。其主要水质成分见表1。微溶盐类主要成分是CaSO1.2模型配置1.2.1旋转角度公式卷式反渗透膜元件(陶氏BW30-400)由10片长2.05米，宽0.9米[有效膜面积400平方英尺(37.16m式中，x和y为曲线上点的坐标值；θ为角度变量;α为螺旋线内起点与轴心的距离，即产水管外半径；β为螺旋线径向扩展速度与旋转角速度的比值，取决于卷制膜页数量，膜页厚度和对应进水流道厚度。α和β为常数。陶氏BW30-400卷式RO膜的α和β值分别为0.02m和1.2.2渗透膜渗透率分析反渗透膜过滤脱盐过程的流体力学模拟涉及到溶质(无机盐)和溶剂(水)分别在进水流道和产水流道的物料传质模拟式中，a为溶剂透过的有效膜面积，m式中，A为水透过该反渗透膜的渗透性系数，m/(s·Pa)；∆P表示膜片两侧的压差，Pa；∆Π为由膜两侧溶液浓度不一致造成的渗透压差。这里采用Pitzer方程模拟计算多盐组分的渗透压无机盐在整个流场内的运动通过物料守恒方程[式(6)]表示：式中，C在进水流道内在膜片进水侧表面其中，J式中，B1.2.3cfd结果分析采用商业计算流体力学模拟软件ANSYSCFX19.1对反渗透膜元件单进水流道的脱盐表现进行模拟。RO进水设置为含有四种无机盐：Na以实验工况1得到的CFD分析结果，如图3所示，流线速度分布云图可以看出，整体流速分布比较均匀，最大速度0.11m/s，位于出口位置；从浓度分布云图可以看出，以CaSO三种不同的实验操作条件下，实验测量的产水流量与模拟得到的产水流量之间误差均小于5%，表明该模型可以较准确地预测反渗透膜元件内部的水流和盐度分布。2结果与讨论2.1流道出口至产水中心卷式反渗透膜运行过程中，原水从进水流道一端进入膜元件，而从进水流道另一端浓水口排出，产水沿阿基米德螺旋线流入中心产水管排出。在进水流量8.6t/h，进水组成为1739mg/LNa在膜元件运行过程中，无机盐浓度沿轴向逐渐增高，以主要无机盐成分Na2.2局部环流生成卷式反渗透膜的进水流道内安装有浓水网，用于支撑进水流道宽度，同时在进水流道内产生微尺度局部环流，以削弱浓差极化对于膜回收率的影响。在进水流量8.6t/h，进水组成为1739mg/LNa与无浓水网情况类似，有浓水网的浓水通道内，无机盐浓度沿轴向也逐渐增高[图7(a)]。以Na2.3反渗透差的影响与Na矿井水内多种无机盐成分相互作用，共同决定反渗透膜内外的渗透压差，从而影响局部膜片产水流量。从图9的模拟结果可以看出，在模拟进水条件下，BW30-400反渗透膜的过膜水通量沿轴向基本波浪状线性递减，从27.5L/(m3实验模型及开发本文基于ANSYSCFX模拟全尺度标准8英寸卷式反渗透膜元件(陶氏BW30-400)的矿井水脱盐过程的水力学表现。(1)卷式反渗透膜内的水流主要以轴向流速为主，沿切向阿基米德螺旋线流速较低，对整体盐度分布的影响较小，因此在对整个膜元件无机盐浓度分布研究时可以着重研究轴向分布规律。(2)卷式膜元件的浓水网通过在进水流道内绕浓水网格产生局部环流，促进无机盐成分的反向扩散，可以有效削弱浓差极化的影响，有助于提高整个膜元件的回收率。(3)膜元件边界层无机盐成分浓度沿轴向增高，产生浓差极化现象，致使膜元件尾端容易受到结垢影响。通过研究尾端结垢分布，可以预测浓水网格背水侧为结垢影响区域。(4)矿井水中的多种无机盐成分相互作用，通过改变膜内外渗透压差影响局部过膜通量，不同无机盐成分的反渗透膜的渗透系数不同，对应脱盐率也有差异。本文开发的模型可以有效对卷式膜元件内的水流分布、无机盐浓度分布、膜表面的浓差极化现象以及不同操作条件下的膜结垢倾向进行预测仿真，同时通过对浓水网在膜元件中作用的深入揭示，可以用于辅助膜生产商进行浓水网优化设计。本文搭建了错流反渗透膜实验室小试测试元件，如图2，进水流道有效尺寸为145.0mm，宽3