A Graphical Representation of Membrane Filtration

曲折 机械 平流 多孔性 水槽(地理) 过滤(数学) 渗透 生物系统 材料科学 数学 热力学 化学 物理 复合材料 统计 生物 地图学 生物化学 地理
作者
Binan Gu,Lou Kondic,L. J. Cummings
出处
期刊:Siam Journal on Applied Mathematics [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:82 (3): 950-975 被引量:4
标识
DOI:10.1137/21m1424743
摘要

We analyze the performance of membrane filters represented by pore networks using two criteria: (1) total volumetric throughput of filtrate over the filter lifetime and (2) accumulated foulant concentration in the filtrate. We first formulate the governing equations of fluid flow on a general network, and we model transport and adsorption of particles (foulants) within the network by imposing an advection equation with a sink term on each pore (edge) as well as conservation of fluid and foulant volumetric flow rates at each pore junction (network vertex). Such a setup yields a system of partial differential equations on the network. We study the influence of three geometric network parameters on filter performance: (1) average number of neighbors of each vertex, (2) initial total void volume of the pore network, and (3) tortuosity of the network. We find that total volumetric throughput depends more strongly on the initial void volume than on average number of neighbors. Tortuosity, however, turns out to be a universal parameter, leading to almost perfect collapse of all results for a variety of different network architectures. In particular, the accumulated foulant concentration in the filtrate shows an exponential decay as tortuosity increases.
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