近期，南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究副教授李煒怡及合作團(tuán)隊(duì)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(jì)建立了更為堅(jiān)實(shí)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(dú)特優(yōu)勢。然而，微溶無機(jī)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(jī)理的研究對推動(dòng)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(huì)造成通量的下降，還會(huì)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(jī)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(shí)現(xiàn)微米尺度的光學(xué)“解剖”，并兼具高掃描速率等優(yōu)點(diǎn)，是研究膜蒸餾過程中結(jié)垢現(xiàn)象的強(qiáng)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(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)。通過計(jì)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(huì)出現(xiàn)周期性的條紋圖案，而不是傳統(tǒng)觀念中的隨機(jī)分布；條紋狀沉積的出現(xiàn)意味著溫度邊界層的擾動(dòng)會(huì)與流體的微觀流動(dòng)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(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(shí)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(shí)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(dòng)力學(xué)。通過計(jì)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(huì)出現(xiàn)周期性的條紋圖案，而不是傳統(tǒng)觀念中的隨機(jī)分布；條紋狀沉積的出現(xiàn)意味著溫度邊界層的擾動(dòng)會(huì)與流體的微觀流動(dòng)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(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(jī)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(jī)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jià)值的理論支撐。環(huán)境學(xué)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(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省科技項(xiàng)目、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究面上項(xiàng)目和廣東省教育廳普通高校特色創(chuàng)新類項(xiàng)目的支持。
原標(biāo)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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