＊冯孖卓 张嘉奕 周童 宋修营 尹方龙

（北京工业大学材料与制造学部 北京 100124）

1.概述

目前全球脱盐淡化产水能力为1亿立方米/天，其中约65%为利用膜技术获得，且反渗透膜是反渗透技术的主要部分[1]。反渗透技术一般用于海水淡化过程的最终过程以保证出水的质量，与其它的膜技术不同的是，反渗透膜内部自由体积尺寸非常小，结构十分紧密，通常其结构被认为是无孔的。因为其近乎无孔的结构，在实际进行膜分离的过程中需要较高的压力，其压力一般在1.0MPa到10.0MPa之间。

反渗透膜是海水淡化的核心组件，加压海水经过之后就会能脱去盐分。在半透性薄膜的两边分布着两种不同的液相，在一定的压力下，高浓度的液体会向浓度较小的液体方向移动，如果超过了薄膜的渗透压，则会使高浓度的液体的溶剂通过薄膜进入到浓度较小的液相，从而使溶质滞留在薄膜的另外一侧。通过计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真技术来探测反渗透膜内流场分布特性是研究反渗透膜最主要的途径和方法[2]。上海交通大学的员文权和杨庆峰[3]基于CFD方法对反渗透膜进行了仿真研究，并优化了隔网形状。浙江大学的侯立安和张雅琴[4]运用CFD仿真研究了进水隔网结构、入水角度和卷制页数等参数对卷式反渗透膜组件性能的影响规律。天津大学的王双和蔡相宇[5]运用FLUENT软件仿真研究了各种形态的隔网纤维丝对原水的影响，并得到一种纤维丝断面为椭圆形的隔网形态，该形态的隔网在保持压力方面有优势，同时具有较好的传质和抑制膜污染的效果。中煤科工集团杭州研究院有限公司的毛维东等[6]基于CFD模拟技术优化了某煤矿矿井水多级反渗透系统，针对两级膜浓缩单元膜元件排列组合形式提出了优化方案，分析了技术性和经济性。

然而，现有研究关于反渗透海水淡化膜工作压力对产水量影响规律的研究较少，本文将建立反渗透海水淡化膜的精准流场仿真模型，通过计算流体力学方法获得反渗透膜的渗透量在不同工作压力下的变化规律，并对反渗透膜的内部流场特性进行模拟，分析不同隔网的位置与构型下的反渗透海水淡化膜流体流动效率。

2.膜组件的流场模型及仿真

(1)反渗透膜概述

卷式反渗透薄膜是目前使用最多的一种薄膜，它是一种中间为隔网，两侧为反渗透薄膜的复合结构，再将反渗透薄膜和隔网层层叠加，以中央的清水排出管为核心，构成反渗透膜组。在隔网支撑的薄膜和薄膜的缝隙里，新鲜海水会沿着与新的出口管道平行的方向流动，进流侧壁有益于流体混合，使溶解物的分配均匀，但同时也会增加压力的损耗。当前对于反渗透膜的CFD仿真已有明确的仿真重点：单元结构的选取以及边界条件的设定。

反渗透膜的CFD仿真中经常会选择具有代表性的重复单位，但是其选择是否恰当还需要进一步探讨。Li等[7]对常选的4种隔网单元进行了对比，得出最适合CFD的重复单元是III类，详见图1。

图1 单元结构的选取

对于边界条件的设定，考虑到计算成本，通常对反渗透膜的一个或几个周期性单元迸行仿真分析，单个单元的两侧设置为壁面，另外两侧则设置为进水口与出水口。

(2)单元膜结构的CFD模型建立

反渗透膜的隔网结构如图2所示[8]，其中图2（a）为卷式膜示意图，图2（b）为隔网结构的电镜照片，图2（c）是使用SolidWorks建立的隔网模型。

图2 反渗透膜隔网结构示意图

参考隔网的SEM照片，根据膜的型号，模型的相关参数设置如下，隔网丝夹角为90°，流体进入方向与隔网夹角为45°。单根格网丝为圆柱形，单元长度为1.6mm，直径为0.7341mm，具体仿真边界设置见图3（a）。

图3 反渗透膜单元边界设置与网格划分

使用PumpLinx对反渗透膜的单元结构进行了网格划分，如图3（b）所示，综合考虑到精度与计算成本，网格数量设置在200000左右，进口为给定流速入口,入口流速设定为0.229m/s，出口为给定压力出口,设定为常压。

3.反渗透膜仿真结果分析

为了分析膜组内压强与渗透量的关系，对反渗透膜单元的下膜面进行了流量监测，如图3（a）所示。高压海水从侧面进入膜组单元中，在压力的作用下经上下膜面排出。

图4为渗透量随压力的变化趋势。对其进行分析，发现在0.5MPa条件下渗透量出现了负值，这是因为初始阶段压强过小导致了液体的反向流动。

图4 提高入口压强的流量变化图

图5为不同压强下的膜下表面渗透量稳定值，能够看出膜单元的下表面的渗透量会随着入口压力的提升而提升，在2.0MPa时渗透量达到了140.336L/h。这表明提高系统的工作压力有利于得到更高的产水量。

图5 渗透量稳定值汇总

图6为反渗透膜单元模组在2.0MPa条件下隔网不相交处的压力云图。可以发现，在靠近隔网的区域，流体的压强显著提高，最高达到了2.0MPa。

图6 2.0MPa条件下压力云图

图7（a）为2.0MPa条件下膜内速度场（Z轴），可见其中流体的速度在该截面各处有着显著的区别。流体在与隔网垂直位置上速度较大，远高于在其他区域的流体速度。流体在Z轴方向上的速度过低，根据膜渗透的原理，持续性的低流速会导致溶液中本就分布不均匀的溶质，在反渗透膜的吸附作用与外界的压力的共同作用下，导致溶质集中在反渗透膜表面，填满膜内部的微孔，最终导致溶质聚集区域的反渗透膜通过溶剂的效率极大降低，即产生浓差极化效应，导致反渗透膜被污染。

图7（a）中的黑色箭头为流体的速度矢量，可以发现流体的速度矢量在未靠近隔网的区域方向的改变不大，而在靠近隔网区域的流体速度矢量方向变化较大，这说明隔网的位置与构型会直接影响流体的流动效率。

图7（b）为单元反渗透膜流线分布，能够看出在隔网附近的流线与其他区域的流线有显著区别。海水从膜单元一侧进入后，流线呈现出平滑姿态，而在流体接近隔网后，流线呈现逆向的卷曲态，产生了逆向涡流。从图中可以看到逆向的涡流存在于圆柱形隔网的后部，这种涡流可以对膜的表面进行溶质的再次分配，减弱膜内溶质的堆积，使得膜的微孔道结构不会被溶质阻塞。这样一来溶液可以通过而溶质被阻隔，从而减弱了传质过程中不可避免的浓差极化和膜污染，提高了反渗透膜的产水量。

4.结论

本文对海水淡化装置中反渗透膜流场进行系统分析研究。在模拟中流体为不可压缩流体，粘性耗散可忽略不计条件下，选取膜的单元结构，使用湍流模型和空化模型进行CFD仿真，得到结论有：（1）膜单元下表面渗透量随入口压力提升而提升；（2）靠近膜的区域压强较高，渗透量较大；（3）流体在与隔网垂直位置上流速较大，持续性低速易产生浓差极化效应，导致反渗透膜被污染；（4）隔网的位置与构型直接影响流体的流动效率；（5）隔网附近产生逆向涡流，减弱浓差极化反应和膜污染，提高产水量。