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(optical coherence tomography，OCT)手段，對膜蒸餾過程中硫酸鈣的結垢行為進行了深度解析，為膜蒸餾的優(yōu)化設計建立了更為堅實的理論基礎。系列研究成果連續(xù)發(fā)表在水處理領域權威期刊Water Research以及膜分離領域權威期刊Journal of Membrane Science。
作為新型膜分離技術的代表之一，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晶并形成結垢層是制約該技術發(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，其相關機理的研究對推動膜蒸餾技術的應用具有重要意義。結垢的發(fā)生不但會造成通量的下降，還會對分離膜產生不可逆的損傷。由于表征技術的相對欠缺，膜蒸餾過程中結垢現象發(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，能夠對半透明介質實現微米尺度的光學“解剖”，并兼具高掃描速率等優(yōu)點，是研究膜蒸餾過程中結垢現象的強有力武器。該研究深度開發(fā)OCT的表征功能，在干涉成像的基礎上，利用數值算法實現結垢層的高精度解析，并在國際上首次揭示結垢物沉積形成的耗散結構。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表征數據，論文利用先進的數值算法成功追蹤了結垢誘發(fā)的分離膜形變，進而更為精確地將結垢層進行數字化剝離。數字化的結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，并結合傳統表征結果(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晶和沉積動力學。通過計算并繪制出結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周期性的條紋圖案，而不是傳統觀念中的隨機分布；條紋狀沉積的出現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)現象，從而誘發(fā)具有特定周期的次生流。
基于OCT表征數據，論文利用先進的數值算法成功追蹤了結垢誘發(fā)的分離膜形變，進而更為精確地將結垢層進行數字化剝離。數字化的結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，并結合傳統表征結果(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晶和沉積動力學。通過計算并繪制出結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周期性的條紋圖案，而不是傳統觀念中的隨機分布；條紋狀沉積的出現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分析膜蒸餾中硫酸鈣的結垢行為示意圖(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垢的復雜行為，為進一步的機理解讀提供了數據基礎。該研究改進了傳統的膜蒸餾數學模型，通過深度結合數值模擬和表征分析，較為全面地評估膜蒸餾結垢誘發(fā)通量下降的不同機理。相關研究成果以“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。同時，該改進的膜蒸餾模型較為系統地關聯了污染層的幾何特性，為數值模擬結垢層生長對蒸餾通量的影響提供了有力工具。通過對比分析數值模擬結果和實驗表征結果(包括傳統的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：【技術前沿】南科大發(fā)表膜蒸餾系列研究成果
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