Abstract This study presented a conceptual design of a novel dynamic turbospacer to enhance the performance of a low pressure membrane filtration process. It consists of ladder type filaments and a series of microturbine networks within the filament cells. The rotation of the turbines leads to the formation of turbulence in the feed channel that prevents foulants accumulation. Direct numerical simulation (DNS) was conducted to characterize the fluid flow behaviors of the feed channel for the proposed turbospacer and compared with a standard symmetric non-woven feed spacer. Further, their performances were investigated for a low pressure ultrafiltration (UF) process in a lab-scale experimental setup using 2.8 mm thick 3D printed prototypes of the turbospacer and the standard spacer. Experiments for the proof of this concept were conducted at 173 mL/min and 250 mL/min feed solution inlet velocity when Reynolds number of the flow is 160 and 230 respectively. Substantial reductions in fouling effects using the turbospacer was confirmed by the in-situ Optical Coherence Tomography (OCT) scans of the fouling cake layer accumulated over the membrane during the filtration of seawater with high fouling potential. The proposed turbospacer also lowered the average pressure drop by 4 times and enhanced the specific permeate flux by more than 3 times at 173 mL/min inlet flowratre. At the same operating condition, the specific energy consumption for the turbospacer was found about 2.5 folds lower than the standard spacer.

中文翻译：

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用于高效低压膜过滤的动态涡轮间隔器的概念设计

摘要 本研究提出了一种新型动态涡轮间隔器的概念设计，以提高低压膜过滤过程的性能。它由梯形细丝和细丝单元内的一系列微型涡轮网络组成。涡轮机的旋转导致在进料通道中形成湍流，从而防止污垢积聚。进行直接数值模拟 (DNS) 以表征所提出的涡轮间隔器的进料通道的流体流动行为，并与标准对称非织造进料间隔器进行比较。此外，使用 2.8 毫米厚的涡轮间隔器和标准间隔器的 3D 打印原型，在实验室规模的实验装置中研究了低压超滤 (UF) 工艺的性能。当流动的雷诺数分别为 160 和 230 时，验证这一概念的实验是在 173 mL/min 和 250 mL/min 进料溶液入口速度下进行的。通过对具有高污染潜力的海水进行过滤期间积聚在膜上的污垢饼层的原位光学相干断层扫描 (OCT) 扫描证实了使用涡轮间隔器显着降低了污垢影响。在 173 mL/min 的入口流速下，提议的涡轮间隔器还降低了 4 倍的平均压降，并将特定渗透通量提高了 3 倍以上。在相同的操作条件下，发现涡轮间隔器的比能耗比标准间隔器低约 2.5 倍。通过对具有高污染潜力的海水进行过滤期间积聚在膜上的污垢饼层的原位光学相干断层扫描 (OCT) 扫描证实了使用涡轮间隔器显着降低了污垢影响。在 173 mL/min 的入口流速下，提议的涡轮间隔器还降低了 4 倍的平均压降，并将特定渗透通量提高了 3 倍以上。在相同的操作条件下，发现涡轮间隔器的比能耗比标准间隔器低约 2.5 倍。通过对具有高污染潜力的海水进行过滤期间积聚在膜上的污垢饼层的原位光学相干断层扫描 (OCT) 扫描证实了使用涡轮间隔器显着降低了污垢影响。在 173 mL/min 的入口流速下，提议的涡轮间隔器还降低了 4 倍的平均压降，并将特定渗透通量提高了 3 倍以上。在相同的操作条件下，发现涡轮间隔器的比能耗比标准间隔器低约 2.5 倍。在 173 mL/min 的入口流速下，提议的涡轮间隔器还降低了 4 倍的平均压降，并将特定渗透通量提高了 3 倍以上。在相同的操作条件下，发现涡轮间隔器的比能耗比标准间隔器低约 2.5 倍。在 173 mL/min 的入口流速下，提议的涡轮间隔器还降低了 4 倍的平均压降，并将特定渗透通量提高了 3 倍以上。在相同的操作条件下，发现涡轮间隔器的比能耗比标准间隔器低约 2.5 倍。