Aerofólio

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10798 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O design ideal do espaçador melhora o desempenho de filtração em módulos enrolados em espiral, controlando a hidrodinâmica local dentro do canal de filtração. Um novo projeto de espaçador de alimentação de aerofólio fabricado usando tecnologia de impressão 3D é proposto neste estudo. O projeto é uma configuração em forma de escada com filamentos primários em forma de aerofólio voltados para o fluxo de alimentação de entrada. Os filamentos do aerofólio são reforçados por pilares cilíndricos que sustentam a superfície da membrana. Lateralmente, todos os filamentos do aerofólio são conectados por finos filamentos cilíndricos. Os desempenhos dos novos espaçadores de aerofólio são avaliados em ângulo de ataque (AOA) de 10° (espaçador A-10) e 30° (espaçador A-30) e comparados com o espaçador comercial (COM). Em condições operacionais fixas, as simulações indicam hidrodinâmica em estado estacionário dentro do canal para o espaçador A-10, enquanto um estado instável é encontrado para o espaçador A-30. A tensão de cisalhamento numérica da parede para espaçadores de aerofólio é distribuída uniformemente e tem uma magnitude maior que a do espaçador COM. O design do espaçador A-30 é o mais eficiente no processo de ultrafiltração com fluxo de permeado aprimorado (228%) e consumo específico de energia reduzido (23%) e desenvolvimento de bioincrustação (74%), conforme caracterizado pela Tomografia de Coerência Óptica. Os resultados demonstram sistematicamente o papel influente dos filamentos em forma de aerofólio no projeto do espaçador de alimentação. A modificação do AOA permite que a hidrodinâmica localizada seja controlada de forma eficaz de acordo com o tipo de filtração e as condições de operação.

Ao longo da última década, a escassez de água doce tem aumentado continuamente e colocado uma enorme pressão sobre os recursos de água doce existentes1. Além disso, a recente propagação da pandemia de coronavírus, com a capacidade de infectar a água durante dias a semanas2, coloca uma enorme pressão na produção de água potável segura. Tecnologias de filtração por membrana, como osmose reversa (RO), nanofiltração (NF) e ultrafiltração (UF), ganharam atenção devido ao seu potencial para produzir água potável segura e em grande quantidade, com custos operacionais razoáveis3. No entanto, a acumulação de (bio)incrustantes na superfície da membrana prejudica o desempenho da filtração e deteriora a qualidade da água4. Portanto, controlar o crescimento da (bio)incrustação é essencial para uma maior produtividade da água e, ao mesmo tempo, minimizar o consumo de energia. A prevenção do crescimento bacteriano através do design inteligente dos componentes do módulo de filtração constitui uma abordagem simples e ecológica. O foco no projeto de um espaçador de alimentação ideal em módulos enrolados em espiral (SWM) ganhou recentemente um impulso significativo para aumentar a produtividade da água, reduzir o crescimento de (bio)incrustantes e diminuir o consumo de energia5,6.

O espaçador de alimentação no SWM suporta mecanicamente as folhas da membrana e promove instabilidade do fluido associada à taxa de cisalhamento local, o que melhora a transferência de massa e, em última análise, combate o crescimento bacteriano7,8,9. Porém, existe um valor limite da taxa de cisalhamento, acima do qual é favorecida a fixação bacteriana sobre a membrana, o que prejudica a eficiência da filtração e aumenta a queda de pressão no canal de alimentação5. Como tal, a alteração da hidrodinâmica devido à integração do espaçador de alimentação pode influenciar negativamente o processo de filtração se o seu design não for bem otimizado5. Assim, a identificação de uma microestrutura espaçadora ideal permanece, até o momento, um desafio para melhorar o processo de filtração10,11.

Nos últimos anos, o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D contribuiu para espaçadores de alimentação inovadores com alta versatilidade e geometria mais complexa8. As tecnologias de impressão 3D ou fabricação aditiva são processos avançados que dependem da criação de objetos físicos a partir de modelos de Design Assistido por Computador (CAD), adicionando materiais camada por camada12. Os espaçadores impressos em 3D foram desenvolvidos modificando as características geométricas dos espaçadores comerciais 13,14,15,16 ou produzindo novos designs microestruturados 8,17,18,19,20,21,22,23. Entre os projetos de espaçadores recentemente desenvolvidos, projetos de superfície mínima triplamente periódica (TPMS)8,18, configurações sinusoidais uniformes22, espaçadores em forma de favo de mel23, perfurados20, coluna17 e helicoidais19 exibiram um potencial para aliviar a incrustação da membrana e melhorar a produtividade da água em laboratório. unidades de filtração em escala. No entanto, algumas limitações, incluindo a complexidade do projeto e a fraqueza da resistência mecânica, impedem a sua implementação em plantas industriais.