小型电催化膜组件的结构设计及流场仿真分析

李双戎，朱孟府*，邓 橙，赵 蕾，李 猛，王 尹，龚春河，刘红斌

（1.军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津 300161；2.解放军32142部队，河北保定 071000）

0 引言

众所周知，水是生命之源，为军队提供安全、卫生的饮用净水早已成为军队后勤保障的重要任务，尤其在野战条件下饮水安全保障显得尤为重要。近年来，水质污染严重，给部队在某些特殊环境中执行任务带来很大困扰。

为保障饮水安全，国内外已研制出多种净水装备[1-3]，其中绝大多数净水装备采用膜分离技术进行水质净化。常用的膜分离技术[4]包括微滤、超滤、纳滤、反渗透和电渗析等。膜组件是净水装备的核心部件，主要有板式和管式2种。板式膜组件制造简单、组装与拆卸方便、易清洗；管式膜组件结构简单、适应性强、通量大。以压力为驱动力的膜组件由分离膜、支撑体、间隔物及外壳等零部件组成，如超滤膜组件、反渗透膜组件；以电场为驱动力的膜组件由分离膜、电极、间隔物及外壳等零部件组成，如电渗析膜组件、电去离子膜组件。

电催化膜[5-9]是一种将膜分离技术和电催化氧化技术组合起来的分离膜，主要有金属膜和炭膜，结构分为管式和板式。电催化膜分离是一种新型的净水技术，目前还处于技术研究阶段，还没能将电催化膜技术集成为电催化膜组件用于实际净水装备中。为了尽快将电催化膜技术应用于净水装备，本文依据电催化膜净水技术，采用SolidWorks和COMSOL软件对小型电催化膜组件进行结构设计和仿真分析，以实现电催化膜组件的净水功能。

1 小型电催化膜组件结构设计

1.1 电催化膜净水技术

电催化膜净水技术是以电催化膜为阳极、导电材料为阴极，在直流电场作用下产生强氧化性自由基灭活微生物，并通过氧化作用把难降解的有机污染物分解为CO2、H2O或其他简单化合物，可提高分离膜的净水效果，同时可有效缓解膜分离技术中常会出现的膜污染问题[10-11]。电催化膜主要以无机多孔膜材料为基体，经金属或金属氧化物表面修饰制备，具有能耗低、不易污染和易于清洗等优点。电催化膜外接直流电压通常在3 V左右，电流小于0.1 A。

1.2 小型电催化膜组件设计

1.2.1 主要零部件的结构设计

小型电催化膜组件的主要零部件包括电催化膜、金属网、外壳和密封件。

电催化膜为管式炭膜，设计为小型电催化膜组件的阳极，为自制[12-15]，孔径为0.1μm，孔隙率为30%，内径为4 mm，外径为10 mm，长为100 mm。

金属网为管式钛网，设计为小型电催化膜组件的阴极，为菱形网孔，内径为14 mm，外径为16 mm，长为90 mm，网孔边长为1.4 mm。

外壳由上盖、壳体、密封圈和下盖组成，主要起到部件固定、连接和密封作用，其结构示意图如图1所示。外壳的底部设有密封圈1和密封圈2，密封圈1设于壳体与下盖之间，密封圈2设于下盖内部。壳体上部外侧有螺纹。壳体和上盖之间通过螺纹配合，和下盖之间通过卡扣连接。

图1 外壳结构示意图

密封件由压盖、固定座、密封套、导线和密封圈组成，主要是防止流体从相邻结合面间渗漏以及将导线包裹密封，其结构示意图如图2所示。密封件的固定座和压盖相互配合，并将阴极导线和阳极导线隔离密封于其内。密封圈3和密封圈4与固定座相连接。阳极密封套、阴极密封套设于固定座内。阳极密封套包覆于阳极导线的外部，用于密封阳极导线；阴极密封套包覆于阴极导线的外部，用于密封阴极导线。

图2 密封件结构示意图

密封件的主要零件为压盖和固定座。压盖为柱形，设计有固定接口、阴极连线口和阳极连线口，可以密封阴极导线和阳极导线，其结构示意图如图3所示。固定座为柱形，包括固定接头、阴极连线口、阳极连线口、电催化膜接口和金属网接口，用来固定电催化膜和金属网，密封阴极密封套和阳极密封套，其结构示意图如图4所示。

图3 压盖结构示意图

图4 固定座结构示意图

1.2.2 整体结构设计

依据电催化膜净水技术与主要零部件的选型与设计，利用SolidWorks软件对小型电催化膜组件进行整体结构设计[16-17]（如图5所示），整体为管状结构。小型电催化膜组件外壳上设计有进水口和出水口，内径均为4 mm，进水口位于组件底部，出水口位于壳体上部侧面。电催化膜设于壳体内部，与进水口同轴，金属网同轴设于电催化膜外，电催化膜及金属网的顶端均连接导线，便于与电源连接。小型电催化膜组件工作时，阳极导线和阴极导线分别连接外接直流电源的正极和负极，待净化的水通过进水口进入该组件，在膜分离和电场作用下净化后经出水口流出。

图5 小型电催化膜组件结构示意图

1.2.3 主要性能参数

小型电催化膜组件外形尺寸为23 mm×30 mm×150 mm（长×宽×高），其中壳体（不包含出水口）尺寸为Ø23×109 mm，进水口尺寸为Ø8×15 mm，出水口尺寸为Ø8×7 mm；质量为150 g。其水流量为100mL/min，操作压力为0.1 MPa，操作电压为DC 3 V。

2 小型电催化膜组件流场仿真分析

2.1 流场仿真模型建立

小型电催化膜组件在电催化膜净水过程中，将其简化为理想状态，即忽略水中固体颗粒及气体的影响，水流不可压缩，动力黏度不随速度梯度的改变而变化，净水过程视为稳态[18-20]。设水的温度为25℃，运动黏性系数v=1.004×10-6m2/s，入口圆管内径D=4 mm，入口流体流量为100 mL/min，即流速U=0.13 m/s。圆管流雷诺数Re计算公式如下：

式中，U为流速，单位为m/s；D为圆管内径，单位为m；v为运动黏性系数，单位为m2/s。

经公式（1）计算得到Re为518，即Re<2 000，说明流场处于层流状态。由于电催化膜为多孔介质，因此流场模型设为多孔介质自由流动。

采用N-S方程（Navier-Stokes equation）来描述小型电催化膜组件中流体运动的动量守恒，如公式（2）所示：

采用连续性方程来描述小型电催化膜组件中流体运动的质量守恒，如公式（3）所示：

联立公式（2）和（3）即可求解小型电催化膜组件中流体流动的速度场和压力场。

图6为建立的小型电催化膜组件几何模型。为简化计算，对本组件建立实际体积一半的模型，采用对称设置，并忽略一些对流场影响小的零部件，如金属网。流场边界条件设置入口面、出口面和对称面，其余各面均设置成无滑移壁面，入口流体速度设为0.13 m/s。

图6 小型电催化膜组件几何模型

2.2 流场仿真分析结果

仿真分析所设定的电催化膜为微孔管式膜，孔隙率为30%，内径为4 mm，外径为10 mm，长为100 mm。采用COMSOL软件中的计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模块对本组件进行流场仿真，分析其速度分布和压力分布。采用物理场控制网格的方式划分网格，结果如图7所示。网格包括四面体单元8 004个、金字塔单元130个、棱柱单元3 491个、三角形单元3 220个、四边形单元487个、边单元720个以及顶点单元52个。

图7 网格划分结果

2.2.1 速度分布

图8为本组件流场仿真速度切面图。由图8可知，流体入口速度为0.13 m/s，进入组件中心管道以后，前部速度为0.10～0.25 m/s，后部速度为0.05～0.10 m/s；通过多孔介质微孔管式膜进入组件腔体以后，受微孔管式膜的阻力影响，速度降为0.05 m/s；进入出口管道以后速度逐渐升高，流体流出时和流入时速度基本保持一致，约为0.13 m/s，说明本组件中的膜元件选配合理。

图8 速度切面图

图9为本组件流场仿真速度场图，能直观地描述流场的空间分布。由图9可知，水流从小型电催化膜组件进水口流入中心管道，随后透过电催化膜进入腔体，从出水口流出。本组件内部水体流动整体较为平稳，但后端存在一些乱流，这是因为本组件后端需要外接电源，因此出水口没有设于后端，最后端的水流无法直接流进出水口。

图9 速度场图

2.2.2 压力分布

图10为本组件流场仿真压力切面图。从图中可以看出，水流流入进水口时压力最大，约为8 kPa；随着水流在进水管中流动，压力逐渐减小，进入中心管道后压力范围为4～5 kPa，并且中心管道的压力波动很小，其后基本保持平稳；水流在电催化膜的压力要小于中心管道，范围为2～3 kPa，并且压力基本保持平稳；流过膜壁进入腔体后，压力范围为1～2 kPa，出水口压力约为1 kPa。因此，本组件在流体流动过程中，所受压力较为平稳，组件的零部件与流体配合较好、布局合理、选型得当。

图10 压力切面图

3 结语

本研究采用SolidWorks三维设计软件，依据电催化膜净水技术原理，设计了以电催化膜为阳极、金属网为阴极的小型电催化膜组件。并采用COMSOL仿真软件，通过模型构建和网格划分，分析了小型电催化膜组件流场的速度分布和压力分布，其主要管路速度分布和压力分布均匀。小型电催化膜组件设计合理，可作为单兵电催化膜净水器的重要功能元件，在水质净化及军队饮水卫生方面具有重要的实用价值。但是本组件在结构设计上还存在不易拆卸的不足，后续研究中考虑增加金属弹簧来连接电催化膜，进而实现电催化膜的易拆卸。