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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:2411.19900v1 (cond-mat)
[提交于 2024年11月29日 ]

标题: 纳米结构的微孔膜用于纳滤:微米几何结构可能优化性能、能效和操作寿命

标题: Nanostructured micrometric-pore membranes for nanofiltration: Micrometric geometry may optimize performance, energy efficiency and operational lifetime

Authors:J.C. Verde, N. Coton, M.V. Ramallo
摘要: 媒体和由微米直径孔组成的膜在学术界和工业界众所周知,一旦孔内表面涂覆了纳米结构,它们就能够有效地进行流体的纳滤。 鉴于这些混合系统中两个非常不同的尺度之间存在很大的不匹配,可以预期纳米杂质的捕获几乎完全取决于纳米结构的特性。 然而,我们在这里表明,微米尺度的名义几何结构确实对纳滤性能、其随时间的变化以及每个被捕获杂质所消耗的能量有明显的影响。 为此,我们应用了定制的随机计算,将壁面杂质吸引力和结合的累积概率结合起来,并在流体流动时补充连续性方程;这使得在不进行多粒子模拟的情况下跟踪纳滤成为可能,而在这种多尺度系统中,多粒子模拟是不可行的。 我们关注微米尺度的名义几何结构对过滤特性的影响,如对数去除值LRV、操作寿命、能量平衡或孔内壁上被捕获杂质层的空间分布。 我们的结果识别了一些孔结构(例如,逐渐变细的圆锥形和正弦波状波纹形),其初始纳滤性能和操作寿命比相同平均直径的简单圆柱体大约4倍。 最优几何结构还显示出取决于每种特定应用可接受的LRV值。
摘要: Media and membranes composed of micrometric-diameter pores are well known in academia and industry to be capable of efficacious nanofiltration of fluids once the pore inner surfaces are coated with nanostructures. Given the large mismatch between the two very different scales of these hybrid systems, it could be expected that trapping of nanoimpurities would almost entirely depend on the characteristics of the nanostructures. However, we show here that the micrometric-scale nominal geometry does have noticeable impact on the nanofiltration performance, on its evolution with time, and on the energy spent per trapped impurity. For that, we apply stochastic calculations customized to combine the cumulative probabilities of wall-impurity attraction and binding, supplemented with continuity equations as the fluid flows; this allows tracking the nanofiltration without a many-particle simulation, prohibitive in such multi-scale system. We focus on the influence of the micrometric nominal geometry over filtration features like logarithmic removal value LRV, operational lifetimes, energy balances, or spatial profiles of the trapped-impurity layer in the pore inner walls. Our results identify some pore geometries (e.g., decreasing-conical and sinusoidal-corrugated) with about 4-fold larger initial nanofiltering performance and operational lifetime than simple cylinders of the same average diameter. The optimal geometry is also shown to depend on the LRV value acceptable for each specific application.
评论: 24页,3图和1表
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall) ; 应用物理 (physics.app-ph)
引用方式: arXiv:2411.19900 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:2411.19900v1 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.19900
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Manuel V. Ramallo [查看电子邮件]
[v1] 星期五, 2024 年 11 月 29 日 18:03:33 UTC (266 KB)
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