深地咸水开采可与CO2地质封存、地下储能、页岩气开发等过程耦合，可望在实现能源规模化开发、温室气体减排等目标的同时缓解水资源短缺问题。深地采出咸水的含盐度极高，为实现采出咸水的资源化利用，高效低成本脱盐技术的研发至关重要。膜蒸馏（MD）是适用于高含盐量、高温的深地采出咸水的理想脱盐方案。然而，由于深地咸水中含有各种易于结垢的组分，长期膜蒸馏运行过程中膜结垢是影响咸水脱盐效率的主要挑战。结垢会导致膜孔堵塞和膜表面润湿性发生改变，从而降低蒸馏膜的性能。目前，研究人员已尝试使用阻垢剂和清洗剂、采用微滤（MF）和纳滤（NF）进行预处理、定期空气反洗等方案来减轻结垢。另一种减轻结垢的策略是通过表面形态设计，进一步强化膜材料的疏水性，从而避免在膜表面形成晶核和生长晶体，减少膜结垢。
中国科学院武汉岩土力学研究所和中国科学院上海高等研究院的研究人员通过实验和数值模拟对比了相同条件下平板聚偏氟乙烯（PVDF）膜（F-PVDF）和锯齿状超疏水PVDF膜（C-PVDF）在膜蒸馏过程中的水通量和抗结垢性能，并进行了理论分析。对于C-PVDF膜，本项研究包括膜蒸馏过程中两种不同的流动模式：咸水进水方向与锯齿脊垂直（C-PVDF-v）和与锯齿脊平行（C-PVDF-p）。针对C-PVDF膜蒸馏系统，研究团队建立了三维计算流体动力学数值模型，用于分析速度、剪切应力、温度、TDS等关键参数对膜表面结垢过程的影响。实验和数值模拟分析结果表明:C-PVDF-p具有最强的抗结垢性，而C-PVDF-v显示出最弱的抗结垢性，抗结垢效果低于F-PVDF。数值模拟结果表明:C-PVDF-p的平均脱盐水通量高于其他两种情况，这是由于咸水与膜表面的锯齿相互作用，产生涡流效应所致。涡流效应可促进进料咸水的充分混合，有利于蒸馏膜两侧的热质传递，同时抑制结垢。然而，对于C-PVDF-v而言，涡旋局限于锯齿凹槽范围内，不能有效地促进膜两侧咸水与脱盐水的热质传递，且小范围的涡旋反而使C-PVDF-v表面的CaSO4结垢增加。此外，还观察到温度极化效应在C-PVDF-p的情况下最低，而这是导致C-PVDF-p具有较高脱盐水通量的关键因素。
相关论文发表于膜分离领域顶级期刊Journal of Membrane Science（中科院 1区TOP，最新影响因子为9.5）上。论文第一作者是武汉岩土所Hesam Bazargan Harandi博士后，共同通讯作者是武汉岩土所张力为研究员和上海高等研究院何涛研究员。该研究得到了内蒙古自治区科技重大专项（2021ZD0034）和国家自然科学基金（52011530031，21978315）的资助。
论文标题：Experimental and Theoretical Analysis of Scaling Mitigation for Corrugated PVDF Membranes in Direct Contact Membrane Distillation
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0376738823006579
DOI: https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122001
图1 试验所用平板PVDF膜和锯齿PVDF膜的制备过程。锯齿PVDF膜的锯齿顶点间距为45 m，锯齿高度为22 m
图2 膜蒸馏试验结束后F-PVDF、C-PVDF-v、C-PVDF-p膜表面的CaSO4结垢情况
图3 CaSO4结晶在膜表面（X-Z截面）分布的数值模拟结果：（a）F-PVDF膜；（b）C-PVDF-v膜；（c）C-PVDF-p膜。进水中CaSO4含量：0.2 wt.%；咸水进水流速：0.25 m/s；咸水进水温度：70 ；脱盐水温度：20
附件下载：
鄂公网安备 42010602003514 