مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی تاثیر میدان الکتریکی جریان مستقیم بر مشخصه‌های اجتماع ذرات در جریان تصفیه عرضی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران
چکیده
استفاده از روش‌های عددی برای تعیین حدود و نحوه رشد کیک جرمی در فرآیند تصفیه عرضی مورد توجه محققین بوده ‌است. حل‌های مذکور که عمدتاً مبتنی بر توسعه روش‌های صفر، یک یا دوبُعدی برای تخمین پارامترهای تصفیه معرفی شده‌اند، متکی ‌بر حداقل یک مرحله تنظیم روش با استفاده از نتایج آزمایشگاهی هستند. در این مقاله یک روش حل دوسویه مستقل، برای تعیین تغییرات زمانی هندسه کیک جرمی- جریان تصفیه، ارایه شده ‌است. به‌طوری که همزمان با حل جریان به روش شبکه بولتزمن، حل معادله انتقال جرم را با استفاده از یک روش مزوسکوپیک دیگر (LB-CA) در یک ارتباط دوسویه بین تغییرات جریان و رشد کیک میسر سازد. روش محاسباتی معرفی‌شده، امکان اعمال اثر نیروهای داخلی و خارجی بر خط سیر ذرات را فراهم نموده‌است. اعتبار روش محاسباتی، در مقایسه با حل تئوری رومرو- داویس و نتایج آزمایشگاهی، بررسی و تایید شده است. همچنین با استفاده از LB-CA، اثر اعمال میدان الکتریکی جریان مستقیم، بر کیفیت اجتماع ذرات بر سطح غشا و تغییر منحنی شار جریان بررسی و نشان داده شده‌ است که با افزایش ولتاژ جریان مستقیم، به‌تدریج از اجتماع ذرات در برخی نواحی غشا ممانعت به عمل آمده، منحنی کاهش شار جریان بهبود قابل ملاحظه‌ای می‌یابد. همچنین بررسی شرایط بهینه با درنظرگرفتن اندازه پل‌های الکتریکی به‌عنوان پارامتر بهینه‌سازی نشان داده ‌است با درنظرگرفتن بیشینه بهبود در منحنی شار جریان به‌عنوان پارامتر هدف، اندازه پل‌های الکتریکی دارای یک مقدار بهینه است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical Study on the Impact of DC Electric Field on Fouling Characteristics of Cross-Flow Filtration

نویسندگان English

E. Davarpanah
A.R. Teymourtash
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
چکیده English

Applying numerical methods for predicting cake formation and development in cross-flow membrane filtration has been an area of research. The solutions, which are mainly based on the development of zero, one, or two-dimensional methods for estimating filtration parameters, have always suffered from an obvious need for some calibration steps. In this paper, an independent two-way solving method is presented to determine the time variation of the geometry of the cross-flow filtration cake, so that by simultaneously solving the flow through the lattice Boltzmann (LB), it is possible to solve the convection-diffusion equation, using another mesoscopic method (LB-CA) in a two way coupling manner between flow changes and cake growth. Applying LB-CA provides it for all kinds of internal and external forces effects on particles trajectories to be explicitly taken into account. The proposed model was validated against both of theory of Romero and Davis and some experimental results. Moreover, the model was used to determine external effects which are arisen from static imposition of a DC electric field, on cross-flow filtration outcomes. The calculated results exhibits considerable improvements in flux decline curve and removing of fouling in some areas along the membrane length, as DC voltage rises. Also, optimal conditions with considering the electric poles’ size as an optimization parameter shows that with considering the maximum improvement in the flux curve as the target parameter, the electric poles’ size has an optimal value.

کلیدواژه‌ها English

Cross-flow Filtration
cake formation
Lattice Boltzmann
LB-CA
DC Electric Filed
Zeman LJ, Zydney AL. Microfiltration and ultrafiltration: Principles and applications. 1st Edition. Boca Raton: CRC Press; 2017. [Link]
Hermia J. Constant pressure blocking filtration laws-application to power-law non-Newtonian fluids. Institution of Chemical Engineers Transactions. 1982;60(3):183-187. [Link]
Chudacek MW, Fane AG. The dynamics of polarisation in unstirred and stirred ultrafiltration. Journal of Membrane Science. 1984;21(2):145-160. [Link] [DOI:10.1016/S0376-7388(00)81551-3]
Porter MC. Concentration polarization with membrane ultrafiltration. Industrial and Engineering Chemistry Product Research and Development. 1972;11(3):234-248. [Link] [DOI:10.1021/i360043a002]
Zydney AL, Colton CK. A concentration polarization model for the filtrate flux in cross-flow microfiltration of particulate suspensions. Chemical Engineering Communications. 1986;47(1-3):1-21. [Link] [DOI:10.1080/00986448608911751]
Lee Y, Clark MM. Modeling of flux decline during crossflow ultrafiltration of colloidal suspensions. Journal of Membrane Science. 1998;149(2):181-202. [Link] [DOI:10.1016/S0376-7388(98)00177-X]
Bhattacharjee S, Kim AS, Elimelech M. Concentration polarization of interacting solute particles in cross-flow membrane filtration. Journal of Colloid and Interface Science. 1999;212(1):81-99. [Link] [DOI:10.1006/jcis.1998.6045]
Kim S, Marion M, Jeong BH, Hoek EMV. Crossflow membrane filtration of interacting nanoparticle suspensions. Journal of Membrane Science. 2006;284(1-2):361-372. [Link] [DOI:10.1016/j.memsci.2006.08.008]
Kromkamp J, Bastiaanse A, Swarts J, Brans G, Van Der Sman RGM, Boom RM. A suspension flow model for hydrodynamics and concentration polarisation in crossflow microfiltration. Journal of membrane science. 2005;253(1-2):67-79. [Link] [DOI:10.1016/j.memsci.2004.12.028]
Paipuri M, Kim SH, Hassan O, Hilal N, Morgan K. Numerical modelling of concentration polarisation and cake formation in membrane filtration processes. Desalination. 2015;365:151-159. [Link] [DOI:10.1016/j.desal.2015.02.022]
Masselot A, Chopard B. A lattice Boltzmann model for particle transport and deposition. Europhysics Letters. 1998;42(3):259-264. [Link] [DOI:10.1209/epl/i1998-00239-3]
Krüger T, Kusumaatmaja H, Kuzmin A, Shardt O, Silva G, Viggen EM. The lattice boltzmann method. 1st Edition. Switzerland: Springer; 2017. [Link] [DOI:10.1007/978-3-319-44649-3]
Wang H, Zhao H, Guo Z, Zheng Ch. Numerical simulation of particle capture process of fibrous filters using Lattice Boltzmann two-phase flow model. Powder Technology. 2012;227:111-122. [Link] [DOI:10.1016/j.powtec.2011.12.057]
Hong S, Faibish RS, Elimelech M. Kinetics of permeate flux decline in crossflow membrane filtration of colloidal suspensions. Journal of Colloid and Interface Science. 1997;196(2):267-277. [Link] [DOI:10.1006/jcis.1997.5209]
Molla Sh, Bhattacharjee S. Dielectrophoretic levitation in the presence of shear flow: Implications for colloidal fouling of filtration membranes. Langmuir. 2007;23(21):10618-10627. [Link] [DOI:10.1021/la701016p]