成果簡介
近日，清華大學環(huán)境學院黃霞教授團隊在環(huán)境領域著名學術(shù)期刊Water Research上發(fā)表了題為 “Roles and performance enhancement of feed spacer in spiral wound membrane modules for water treatment： A 20——year review on research evolvement”的長文綜述，對過去20年間關于卷式膜組件中進水隔網(wǎng)的研究進行了全面的綜述，剖析了20年間該領域研究關注點的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)性總結(jié)了該領域的研究方法和研究進展，分析了進水隔網(wǎng)如何通過影響流道內(nèi)的水力學進而影響膜組件的性能以及可能的優(yōu)化措施，并指明了該領域目前的研究不足和未來的研究方向。
引言
納濾(NF)、反滲透(RO)卷式膜元件被廣泛運用于海水及苦咸水淡化、城市污水處理與回用等領域。進水隔網(wǎng)(feed spacer)是卷式膜元件中不能缺少的部分(圖1)，通常為雙層細絲彼此交叉形成的菱形網(wǎng)狀構(gòu)型。它可以隔開膜片、形成流道，增強流體湍動和傳質(zhì)，減小濃差極化。然而，進水隔網(wǎng)的存在使得流道壓降差(FCP drop)升高，過高的壓降差不僅會提高能耗，而且在長期運行中會使得膜元件受損。此外，隔網(wǎng)的網(wǎng)絲結(jié)點處易形成“死區(qū)”，導致微生物淤積和污染。過去20年間，研究者們對進水隔網(wǎng)的研究主要集中在：(1)認識進水隔網(wǎng)對于流道內(nèi)流體狀態(tài)、傳質(zhì)、壓降差和膜污染的影響；(2)優(yōu)化進水隔網(wǎng)的幾何構(gòu)型和材質(zhì)，以提升膜元件的水力學性能和抗污染性能。本文首次對過去20年卷式膜組件進水隔網(wǎng)的研究進行了系統(tǒng)的梳理，采用文獻數(shù)據(jù)分析識別出三個主要的發(fā)展階段，分析了研究重點隨時間轉(zhuǎn)變的原因，并對未來的研究方向進行了展望。
對Web of Science獲取的主題為“ feed spacer”和“ membrane”、時間跨度為2001——2020年的文獻進行文獻計量學分析，可以發(fā)現(xiàn)在過去的20年里，該領域的文章和專利發(fā)表的數(shù)量均呈上升趨勢(圖2A和B)。在早期，產(chǎn)業(yè)界更早意識到進水隔網(wǎng)對膜元件性能的重要影響，申請了一些相關專利。隨后，學術(shù)界也針對進水隔網(wǎng)開展了更多的研究，尤其是2009年以來取得了快速的發(fā)展。在涉及的膜工藝中，針對高壓驅(qū)動膜(RO和NF)的研究所占比例最大，膜蒸餾(MD)、電滲析(ED)和正滲透(FO)近年來也受到了較多的關注(圖2C)。該領域的發(fā)文國家主要集中在荷蘭、沙特阿拉伯和美國，且三國之間呈現(xiàn)出密切的合作關系(圖2D)。對所有文獻的關鍵詞進行聚類分析和詞頻統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)過去20年的研究可以分為三個發(fā)展階段(圖3)。在第一階段(2001——2008年)，研究者主要關注進水隔網(wǎng)的水力學性能(如傳質(zhì)和壓降)。在2009年，Johannes Vrouwenvelder等在Water Research上發(fā)表了一篇經(jīng)典的、具有分水嶺意義的文章，指出進水隔網(wǎng)和流道對于膜元件中生物污染的發(fā)生起到了至關重要的作用。此后的第二階段(2009——2015年)，對于進水隔網(wǎng)的研究快速發(fā)展，并且研究重點集中在生物污染上。在第三階段(2016——2020年)，由于高精度3D打印技術(shù)的不斷成熟，越來越多研究者開始進行新型進水隔網(wǎng)的設計與開發(fā)，以提升膜元件的水力學性能和抗污染性能。
圖1 卷式膜元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。進水隔網(wǎng)(feed spacer)是隔開膜片、形成流道的重要結(jié)構(gòu)。
圖2 基于Web of Science獲取的主題為“ feed spacer”和“ membrane”、時間跨度為2001——2020年的文獻計量學結(jié)果。(A)每年相關文章發(fā)表情況；(B)每年相關專利授權(quán)情況；(C)發(fā)表文章中所涉及的膜工藝種類分布；(D)主要發(fā)文國家及其合作關系。
圖3 對過去20年所有以“ feed spacer”和“ membrane”為主題的文獻中的關鍵詞進行聚類分析和詞頻統(tǒng)計。所有文獻可以聚類成三類，并且呈現(xiàn)較為明顯的分階段發(fā)展特征，三個階段對應的關鍵詞分別為“流體力學”、“生物污染/生物膜”和“3D打印”。表明研究重點從第一階段(2001——2008年)的流體動力學，過渡到第二階段(2009——2015年)的生物污染，再到第三階段(2016——2020年)的新型隔網(wǎng)設計與優(yōu)化。
本文首先總結(jié)了該領域常用的研究方法，包括水力學實驗、膜污染實驗和計算流體力學(CFD)模擬。水力學實驗和膜污染實驗主要采用錯流過濾裝置(圖4A)，且保證進水隔網(wǎng)與膜面緊貼，以更好地模擬流體在卷式膜組件中的行為。流道壓降差(FCP drop)是衡量進水隔網(wǎng)性能的重要參數(shù)，也是水力學實驗主要的測試指標之一，對其的測量也從最初的U型管到如今的高精度壓差傳感器。膜污染實驗主要指生物污染實驗，近些年研究者們開始更多關注流道內(nèi)生物污染的動態(tài)發(fā)展過程，這得益于實時原位觀測技術(shù)的發(fā)展，如PIV(圖4B)、OCT(圖4C)、NMR等，其中NMR已可以被運用于工業(yè)級別的卷式膜組件中流態(tài)和膜污染的實時原位觀測。CFD模擬也歷經(jīng)了從早期的簡單流態(tài)模擬，到后來耦合了傳質(zhì)、無機污染甚至生物污染的復雜模型的變化，模型的驗證主要通過流道壓降差的測定或和原位觀測的流場進行比對來完成。
圖4 (A)錯流過濾裝置(Lin et al.，2020)；(B)顆粒成像測速(PIV)系統(tǒng)(Haidari et al.，2016)；(C)光學相干斷層掃描(OCT)系統(tǒng)(Gao et al.，2013)。
進水隔網(wǎng)對膜元件水力學性能的影響與進水隔網(wǎng)的幾何特征密切相關。在一定尺度的流道內(nèi)，流場具有周期重復性，高流速區(qū)域往往分布在流體流經(jīng)網(wǎng)絲處，低流速區(qū)域則主要出現(xiàn)在網(wǎng)絲結(jié)點的下游處。進水隔網(wǎng)的網(wǎng)格寬度與網(wǎng)絲直徑的比例(l/d)越大，流道內(nèi)的平均壁面剪切力越小，低剪切力的區(qū)域往往分布在隔網(wǎng)網(wǎng)格單元的中間區(qū)域及網(wǎng)絲與膜面接觸的區(qū)域。流道壓降差主要是由進水隔網(wǎng)產(chǎn)生的粘性阻力、形阻力和主體溶液流向變化(如在Zigzag型隔網(wǎng)流道中)所導致的。進水隔網(wǎng)的網(wǎng)格寬度、網(wǎng)絲直徑、網(wǎng)格夾角、流攻角等均會影響水力學性能。
在2009年以前，研究者們往往只關注膜面污染的問題，而未對隔網(wǎng)污染做深入的探究。事實上，隔網(wǎng)污染會對膜元件性能的下降產(chǎn)生重要的影響。Johannes Vrouwenvelder等發(fā)現(xiàn)當生物污染發(fā)生在進水隔網(wǎng)上時，流道壓降差會增加到初始的4——5倍，這會削減驅(qū)動力，降低膜通量(Vrouwenvelder et al。， 2009)。從生物污染的空間分布(圖5)和隨時間的動態(tài)發(fā)展(圖6)來看，流道內(nèi)生物污染首先會發(fā)生在進水隔網(wǎng)上，尤其是網(wǎng)絲結(jié)點附近的流動“死區(qū)”。可以看到，進水隔網(wǎng)是通過對流場的改變來影響生物污染的發(fā)生和分布。傳統(tǒng)上認為，高錯流速度和高剪切力可以減輕膜污染。但是部分研究者發(fā)現(xiàn)，盡管高錯流速度有助于生物膜脫落，但相同時間下也帶來了更多的營養(yǎng)組分，這有助于微生物的生長。同時，由于生物污染發(fā)生時流道壓降差會顯著上升，在高錯流速度下更加顯著。因此，當生物污染為主導時，宜采用較厚的進水隔網(wǎng)，以適當降低錯流速度。但是低錯流速度下易導致無機污染(結(jié)垢)，而高錯流速度下則不易發(fā)生，因此當無機污染為主要污染類型時，宜采用較薄的進水隔網(wǎng)。目前，在國外某些地區(qū)的實際多級膜處理過程中，往往在前端生物污染較重的膜元件中采用較厚的進水隔網(wǎng)，而在后端無機污染較重的膜元件中采用較薄的進水隔網(wǎng)。
圖5 生物膜在流道內(nèi)的空間分布。(A)長期運行的膜元件(Tran et al.，2007)；(B)CFD 模擬生物污染的分布(Picioreanu et al.，2009)；(C)實驗室錯流過濾下的生物污染(Ngeneet al.，2010)。
圖6 生物膜在流道內(nèi)的動態(tài)發(fā)展過程。(A)NMR速度成像，黑色區(qū)域指示生物膜的積累(Vrouwenvelder et al.，2009)；(B)&(C)OCT 觀測(West et al.，2016； Fortunato et al.，2017)；(D)氧氣濃度下降速率指示生物污染分布(Farhat et al.，2015)。
近些年，研究者們在進水隔網(wǎng)的改進上做了一些嘗試和探究，主要包括：(1)改進表面材質(zhì)。例如，在進水隔網(wǎng)表面進行親水改性、涂敷抗菌組分等。(2)優(yōu)化幾何構(gòu)型。例如，采用高精度3D打印技術(shù)制造新型構(gòu)型的進水隔網(wǎng)(圖7)。雖然這些改進大多在實驗室取得了良好的水力學性能和抗污染性能，但考慮到實際應用，還存在諸多問題。例如，涂覆層組分在長期運行中的穩(wěn)定性以及有毒物質(zhì)泄露到環(huán)境的風險；3D打印技術(shù)的規(guī)模、打印速度和成本問題；新型構(gòu)型能否適用于卷式膜元件和長期高壓條件等。德國Lanxess 公司開發(fā)的ASD(alternating strand design)進水隔網(wǎng)可能是更適用于實際的新型構(gòu)型；Lin等在2020年Water Research上發(fā)表的文章(清華大學黃霞團隊WR：變徑網(wǎng)絲進水隔網(wǎng)幾何特征對膜元件的水力學和抗污染性能的影響探究)也指出變徑網(wǎng)絲構(gòu)型進水隔網(wǎng)在水力學性能和抗污染性能上具有優(yōu)勢，今后可以在此基礎上開展進一步的優(yōu)化。
圖7 各種通過高精度3D打印制造的新型進水隔網(wǎng)。
小結(jié)
本文對過去20年水處理領域卷式膜組件進水隔網(wǎng)的研究進行了全面的綜述，主要結(jié)論如下：
(1)水力學實驗、膜污染實驗和CFD模擬相結(jié)合的研究方法可以更好地探究進水隔網(wǎng)對膜元件的水力學性能和抗污染性能的影響。
(2)進水隔網(wǎng)的構(gòu)型對流場具有重要的影響。其增強了流道內(nèi)的平均壁面剪切力和傳質(zhì)，但也導致流道壓降差的升高和局部的流動“死區(qū)”。因此，對進水隔網(wǎng)的優(yōu)化很有必要。
(3)進水隔網(wǎng)的構(gòu)型和水力學條件對生物污染有重要影響，應更加關注隔網(wǎng)污染的問題。
(4)改進表面材質(zhì)和優(yōu)化幾何構(gòu)型是進水隔網(wǎng)優(yōu)化的兩個主要手段。在長期運行過程中，涂覆層組分的穩(wěn)定性以及新型構(gòu)型的實用性仍然是未來需要解決的問題。
本文也對未來該領域的研究方向進行了展望和建議：
(1)推動進水隔網(wǎng)性能評價體系的標準化。
(2)增進流場變化與膜污染之間聯(lián)系的認識。
(3)設計開發(fā)能真正運用于實際膜元件且能提高膜元件水力學性能和抗污染性能的新型進水隔網(wǎng)。
(4)開展用于飲用水處理的卷式膜元件中進水隔網(wǎng)的研究。
(5)開展進水隔網(wǎng)對于有機污染控制的研究。
(6)開展產(chǎn)水隔網(wǎng)(permeate spacer)的研究。
原標題：編委風采丨清華大學黃霞團隊WR綜述：水處理用卷式膜組件進水隔網(wǎng)的作用與性能優(yōu)化