新式稀土瓷砂濾料廠家發(fā)表膜蒸餾系列研究成果

　　新式稀土瓷砂濾料生產(chǎn)廠家發(fā)表膜蒸餾系列研究成果。采用基于高端光學(xué)表征技術(shù)(optical coherence tomography，OCT)手段，對膜蒸餾過程中硫酸鈣的結(jié)垢行為進(jìn)行了深度解析，為膜蒸餾的優(yōu)化設(shè)計建立了更為堅實的理論基礎(chǔ)。

　　圖1 OCT原位實時表征膜蒸餾過程中硫酸鈣結(jié)垢行為的示意圖

　　作為新型膜分離技術(shù)的代表之一，膜蒸餾在處理高濃度鹵水和苦咸水中具有獨特優(yōu)勢。

　　然而，微溶無機鹽在膜蒸餾過程中結(jié)晶并形成結(jié)垢層是制約該技術(shù)發(fā)展的難題之一;尤其以硫酸鈣為代表的非堿性微溶鹽，目前仍缺乏有效的解決方法，其相關(guān)機理的研究對推動膜蒸餾技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義。

　　結(jié)垢的發(fā)生不但會造成通量的下降，還會對分離膜產(chǎn)生不可逆的損傷。由于表征技術(shù)的相對欠缺，膜蒸餾過程中結(jié)垢現(xiàn)象發(fā)生和演化的機理仍未被充分解析。

　　OCT是一種先進(jìn)的光學(xué)成像和探測技術(shù)，能夠?qū)Π胪该鹘橘|(zhì)實現(xiàn)微米尺度的光學(xué)“解剖”，并兼具高掃描速率等優(yōu)點，是研究膜蒸餾過程中結(jié)垢現(xiàn)象的強有力武器。

　　該研究深度開發(fā)OCT的表征功能，在干涉成像的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值算法實現(xiàn)結(jié)垢層的高精度解析，并在國際上首次揭示結(jié)垢物沉積形成的耗散結(jié)構(gòu)。

　　該研究成果以“Analyzing scaling behavior of calcium sulfate in membrane distillation via optical coherence tomography”為題，發(fā)表于Water Research。

　　基于OCT表征數(shù)據(jù)，論文利用先進(jìn)的數(shù)值算法成功追蹤了結(jié)垢誘發(fā)的分離膜形變，進(jìn)而更為精確地將結(jié)垢層進(jìn)行數(shù)字化剝離。

　　數(shù)字化的結(jié)垢層被用于估算其表面覆蓋率、比沉積量、以及平均厚度隨時間的變化，并結(jié)合傳統(tǒng)表征結(jié)果(蒸餾通量和電導(dǎo)率隨時間的變化)深入解析硫酸鈣在膜蒸餾過程中的結(jié)晶和沉積動力學(xué)。

　　通過計算并繪制出結(jié)垢層的局域生長率分布圖。論文首次揭示了溫度邊界層中晶體的沉積會出現(xiàn)周期性的條紋圖案，而不是傳統(tǒng)觀念中的隨機分布;條紋狀沉積的出現(xiàn)意味著溫度邊界層的擾動會與流體的微觀流動耦合而造成失穩(wěn)現(xiàn)象，從而誘發(fā)具有特定周期的次生流。

　　圖2 應(yīng)用光學(xué)相干斷層成像技術(shù)分析膜蒸餾中硫酸鈣的結(jié)垢行為示意圖(WR期刊圖形摘要)

　　基于OCT的表征研究更為直觀地揭示了膜蒸餾過程中硫酸鈣結(jié)垢的復(fù)雜行為，為進(jìn)一步的機理解讀提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　該研究改進(jìn)了傳統(tǒng)的膜蒸餾數(shù)學(xué)模型，通過深度結(jié)合數(shù)值模擬和表征分析，較為全面地評估膜蒸餾結(jié)垢誘發(fā)通量下降的不同機理。

　　相關(guān)研究成果以“Flux decline induced by scaling of calcium sulfate in membrane distillation: Theoretical analysis on the role of different mechanisms”為題，發(fā)表于Journal of Membrane Science(in press)。

　　該研究將傳熱與傳質(zhì)的非線性效應(yīng)引入膜蒸餾模型，并兼顧污染層和親水性支撐層對蒸餾效率的影響，通過非線性擬合更為精確地獲得該膜蒸餾過程的基本傳遞參數(shù)。

　　同時，該改進(jìn)的膜蒸餾模型較為系統(tǒng)地關(guān)聯(lián)了污染層的幾何特性，為數(shù)值模擬結(jié)垢層生長對蒸餾通量的影響提供了有力工具。

　　通過對比分析數(shù)值模擬結(jié)果和實驗表征結(jié)果(包括傳統(tǒng)的SEM表征和先進(jìn)的OCT表征)，該研究評估了不同作用機制對于硫酸鈣結(jié)垢導(dǎo)致膜通量下降的影響，進(jìn)而推斷出晶體生長導(dǎo)致界面固化是加劇通量下降的主導(dǎo)因素。

　　圖3 基于表征與模擬分析結(jié)垢誘發(fā)膜蒸餾通量下降的示意圖(JMS期刊圖形摘要)

　　這一系列研究對于深刻理解膜蒸餾過程中結(jié)垢層的生成和演化具有重要意義，并為膜蒸餾的發(fā)展和性能改善提供了極具價值的理論支撐。

　　該工作的開展和完成得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、廣東省科技項目、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究面上項目和廣東省教育廳普通高校特色創(chuàng)新類項目的支持。

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