《Journal of Membrane Science》：A new scale independent mass transfer correlation for liquid-in-shell cross-flow in hollow fiber membrane contactors and a new sizing model for degassing applications
编辑推荐：
本研究针对空心纤维膜接触器（HFMC）的液体脱气过程，建立了真空与吹扫气联合操作模式下的数学模型，提出首个适用于壳侧横流HFMC的质量传递关联式，关联Sherwood数与自定义Cross-Flow Graetz数，验证了该模型在不同规模设备中的普适性。
奥马尔·阿尔贾塞姆·阿尔赫米迪（Omar Aljasem Alhmiedy）、马迪·穆萨（Madi Moussa）、布赫拉·贝莱萨乌伊（Bouchra Belaissaoui）、克里斯托夫·莫洛（Christophe Morlot）、让-克里斯托夫·佩兰（Jean-Christophe Perrin）、塞西尔·勒梅特雷（Cécile Lemaitre）、雷尼埃·赫雷兹（Rainier Hreiz）、萨宾·罗德（Sabine Rode）
洛林大学（Université de Lorraine）、法国国家科学研究中心（CNRS）、LRGP实验室，法国南锡（F-54000）
摘要 本文研究了采用中空纤维膜接触器（HFMCs）在横流液壳配置下的脱气过程。考虑了真空操作模式和过量扫气操作模式，假设液体为理想塞流状态且气体成分均匀。该模型可通过回收率测量数据估算传质系数。基于对不同尺寸商用HFMCs的实验数据，提出了一种新的传质关联式，将谢伍德数（Sherwood number）与为此目的定义的横流格拉茨数（cross-flow Graetz number）联系起来。这是首次为HFMC液壳侧横流中的传质过程开发出谢伍德-格拉茨关联式。研究表明，传质效率可表示为纤维直径、被脱气物质的扩散系数、液体流速以及膜表面积的函数。以这种方式表达后，无论设备尺寸如何，效率与谢伍德数均落在同一曲线上。这种关联式的系统尺寸独立性使其适用于HFMCs的放大设计。
引言 水处理是现代环境工程的基本要素，它确保了工业、农业和家庭用水的清洁与安全[1]。需要去除的污染物包括溶解气体（如氧气或甲烷）和挥发性有机化合物（VOCs）。例如，溶解氧会导致锅炉和管道腐蚀[2]，而甲烷不仅具有爆炸危险性，还会对环境造成严重影响，其全球变暖潜能约为二氧化碳（CO2 ）的28倍[3]。VOCs会对人类健康产生不良影响，如引发癌症和神经系统疾病[4]。因此，去除溶解气体和蒸汽对于保护公共健康、维护工业设备完整性以及减少环境足迹至关重要。
脱气（也称为剥离）是一种广泛用于从液体溶液中去除溶解气体或蒸汽的分离技术。该过程基于两相之间的浓度梯度，实现溶解的挥发性组分从液相向气相的传质[5]。脱气可通过施加真空、引入合适的扫气气体或结合这两种方法来实现，后者常被称为“组合”模式（combo ）。在真空模式下，降低系统压力可降低气相中目标组分的 partial pressure，从而增强其从液相转移的驱动力[5]。对于扫气气体和组合模式，气体与液体的逆流传输更有利于提高分离效率[6]。真空模式的优点是可以同时去除所有溶解气体，特别适用于需要去除多种污染物的应用。然而，要达到高分离效果通常需要非常低的真空度，这可能能耗较高且维护成本较高。相比之下，扫气气体模式使用惰性气体（如氮气或空气）物理携带目标物质（例如氧气O2 ），效率较高。但这种方法可能导致水中饱和扫气气体，可能需要额外的后处理步骤[6]。组合模式结合了真空和扫气气体的优点，提供了更加灵活和高效的解决方案。实际上，组合模式可以在使用较低扫气气体流速和中等真空度的情况下产生较大的传质驱动力[7]。通过精心调整真空度和扫气气体流速，可以同时去除一种目标物质并引入另一种物质，从而为特定应用定制水处理方案[6]。传统的脱气技术包括填充床、气泡塔和喷雾塔。在工业中，填充床因其较高的界面面积和传质效率而受到青睐[8]。不过，其性能可能受到堵塞和沟流等问题的限制[8]。气泡塔依靠液相中的气体分散，具有较低的操作成本，但传质效率较低且可扩展性有限[8]。喷雾曝气系统对脱氧有效，但不太适合去除其他气体成分，且可能需要较高的能量输入以实现充分的气液接触[9]。
中空纤维膜接触器（HFMC）是一种在过去三十年中得到广泛研究的脱气替代技术[5]。近年来，HFMCs已成为水处理脱气领域的前沿技术[8]、[10]、[11]。这些系统使用多孔或非多孔（致密）膜作为液相和气相之间的物理屏障，实现高效传质而不需要直接接触，从而避免了起泡、堵塞和夹带问题[12]。纤维的外径通常小于500 μm，具有较高的界面面积与体积比和传质系数，使得脱气装置紧凑高效。
膜的主要功能是作为物理屏障，提供较大的界面面积，从而在无直接相接触的情况下促进传质。因此，膜材料的选择通常次于其功能特性，主要要求是高疏水性，以防止孔隙被液体润湿[5]。当液体进入膜孔隙时会发生润湿现象，导致传质效率和系统性能显著下降。因此，高度疏水的膜更受欢迎，因为它们能抵抗润湿并在长时间内保持稳定性能。聚丙烯（PP）因其高疏水性、化学耐受性和成本效益而被广泛用于多孔脱气膜[13]，非常适合从水中去除溶解气体[14]、[15]。对于致密膜，聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其高气体渗透性和良好的机械性能而常用[16]。不对称膜由多孔支撑层和薄致密表层组成，实现了渗透性和机械强度的平衡[16]。聚甲基戊烯（PMP）在这种配置中也有应用，兼具高气体渗透性和结构完整性[2]。聚偏二氟乙烯（PVDF）虽然常用于水处理，但由于其疏水性相对较低，最初被认为不适合用于膜脱气[8]。然而，表面改性技术（如等离子体处理和疏水涂层）的最新进展提高了PVDF膜的耐润湿性，拓宽了其在脱气应用中的潜力[17]、[18]。尽管如此，PP和PDMS仍因性能可靠而在商业脱气系统中占据主导地位[19]。
HFMC可根据流动配置分为并流模块和横流模块。无论哪种配置，气体和液体都可以流经膜壳侧或纤维内腔。在水中脱气应用中，液体流经膜壳侧的横流配置最为常见，因为它们可实现较高的传质系数和较低的液体压力降[6]。
3M公司生产的Liqui-Cel?是一种广泛采用的商用HFMC产品线[19]。Liqui-Cel?接触器采用多孔聚丙烯膜，特别是Celgard X-50或X-40，以纤维垫的形式提供。这些垫由聚合物线连接的多孔中空纤维组成，平均外径为300 μm，X-50和X-40纤维的内径分别为220 μm和200 μm。膜孔隙率分别为0.40和0.25，平均孔径分别为0.04 μm和0.03 μm[20]。纤维垫的设计便于将膜安装到接触器外壳中。Liqui-Cel?模块有多种系列，其几何特性各不相同。EXF（Extra Flow Modules）系列的特点是特殊的流动路径设计，如图1所示。在这种模块中，纤维垫缠绕在带孔的轴向管上，管子用于分配和收集液体，纤维与管轴平行排列。这种设计特别适用于需要高液体流速的应用。中央管内的隔板将模块分为两个部分：在第一部分，液体通过管子径向分布并进入纤维束；然后径向外移动至纤维束外围，穿过纤维束与模块壁之间的环形间隙，进入第二部分；随后液体再次穿过纤维束，垂直于纤维流向轴向孔管，从而离开模块。实验表明，Liqui-Cel 2.5x8的Peclet数大于70，表明其处于理想塞流状态。此外，CFD计算表明纤维束作为多孔介质，可平滑壳侧液体流动，包括围绕中央隔板的流动。
另一个值得注意的商用HFMC模块是SEPAREL?，由DIC公司开发[21]。SEPAREL?模块适用于多种应用，尤其是油墨脱气。其独特的结构由多孔基底和致密外层组成，这种不对称设计增强了传质效果并具有良好的抗润湿性能，非常适合脱气过程[21]。SEPAREL? EF系列模块与Liqui-Cel?的EXF系列类似，但缺少内部隔板。所用膜材料为聚（4-甲基-1-戊烯）（PMP），具有优异的化学耐受性和机械稳定性。技术规格显示，这些模块中的中空纤维外径在180至240 μm之间，平均外径和内径分别为210 μm和140 μm，膜厚度为35 μm。
将HFMC应用于工业脱气需要可靠的尺寸计算公式，以考虑放大效应。虽然已使用实验室规模的HFMC开发了许多传质关联式，但其在商用规模模块中的适用性尚未得到验证。本文旨在为具有壳侧液体流的商用横流HFMC开发一个通用传质关联式。所提出的关联式将谢伍德数（Sherwood number）与横流格拉茨数（cross-flow Graetz number）联系起来。据作者所知，目前尚未有针对横流HFMC配置的谢伍德-格拉茨关联式。
参考文献片段 HFMCs中脱气反应器模型的简要文献综述 HFMCs中脱气过程的建模旨在将操作参数和几何参数与传质效率联系起来。本研究仅关注采用液壳流（liquid-in-shell flow）的圆柱形横流配置，因为这种几何形状和操作模式在商用HFMC模块中较为常见。先前有研究考虑了液内流（liquid-in-lumen flow）的情况[22]。有效传质面积（可根据纤维束体积估算）...通过与已发表实验结果的比较进行模型验证 表1中的传质关联式是通过实验脱气效率和表3中的接触器模型进行回归分析得出的。脱气效率数据来自商用HFMC模块，用于去除纯水或盐水中的溶解氧，或从厌氧废水中回收甲烷。这些数据来自技术供应商[30]、[31]和科学论文[6]、[7]、[27]，涵盖了包括真空和扫气气体在内的多种操作模式...结论与展望 HFMC模块中的液体脱气过程可采用等温方法进行建模。主要的传质阻力位于液相，这是由于气体的溶解度较低。因此，可以假设总体传质系数等于液相侧的传质系数。由于液体流动为层流，传质系数可通过谢伍德数（Sherwood number）与...CRediT作者贡献声明 萨宾·罗德（Sabine Rode）： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、软件开发、项目管理、方法论、资金获取、数据分析、概念化。克里斯托夫·莫洛（Christophe Morlot）： 初稿撰写、方法论、数据收集。让-克里斯托夫·佩兰（Jean-Christophe Perrin）： 初稿撰写、方法论、数据收集。塞西尔·勒梅特雷（Cécile Lemaitre）： 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、数据分析。利益冲突声明 ? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。致谢 本研究得到了IMOSYCCA 项目的支持，该项目属于法国 政府资助的PEPR SPLEEN计划，由法国国家研究署 管理。作者还要感谢法国高等教育与研究部对这项研究的资助。MRI实验在Métro’NRJ平台（洛林大学-CNRS）上进行：https://lemta.univ-lorraine.fr/
