近期，南方科技大學環(huán)境科學與工程學院研究副教授李煒怡及合作團隊采用基于高端光學表征技術(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)。系列研究成果連續(xù)發(fā)表在水處理領(lǐng)域權(quán)威期刊Water Research以及膜分離領(lǐng)域權(quán)威期刊Journal of Membrane Science。
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是一種先進的光學成像和探測技術(shù)，能夠?qū)Π胪该鹘橘|(zhì)實現(xiàn)微米尺度的光學“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)，論文利用先進的數(shù)值算法成功追蹤了結(jié)垢誘發(fā)的分離膜形變，進而更為精確地將結(jié)垢層進行數(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。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。
基于OCT表征數(shù)據(jù)，論文利用先進的數(shù)值算法成功追蹤了結(jié)垢誘發(fā)的分離膜形變，進而更為精確地將結(jié)垢層進行數(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。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1 應用光學相干斷層成像技術(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)垢的復雜行為，為進一步的機理解讀提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。該研究改進了傳統(tǒng)的膜蒸餾數(shù)學模型，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)垢導致膜通量下降的影響，進而推斷出晶體生長導致界面固化是加劇通量下降的主導因素。
圖2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。環(huán)境學院2018級南科大-哈工大聯(lián)培博士生劉杰為兩篇論文的第一作者，李煒怡為兩篇論文的通訊作者。
該工作的開展和完成得到了國家自然科學基金面上項目、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。
原標題：【技術(shù)前沿】南科大發(fā)表膜蒸餾系列研究成果
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