Влияние переменных рабочих условий на поток и энергоэффективность воздушно-пробельной мембранной дистилляции для управления рассолом

Превращение солёных сточных вод в ресурс

Современные опреснительные установки решают проблему нехватки воды, но создают новую: огромные объёмы оставшегося сверхсолёного стока — рассола — который трудно утилизировать без вреда для окружающей среды. В этом исследовании рассматривается перспективный метод извлечения большего количества пресной воды из рассола с помощью так называемой воздушно-пробельной мембранной дистилляции, при этом оцениваются энергозатраты и скорость износа оборудования. Работа показывает, где находится компромисс между получением большого объёма чистой воды, контролем затрат на энергию и сохранением фильтрующего материала внутри системы.

Как работает этот тепловой фильтр

Воздушно-пробельную мембранную дистилляцию можно представить как мягкий, управляемый процесс испарения. Тёплая солёная вода течёт по одной стороне тонкой, отталкивающей воду мембраны, в то время как с другой стороны течёт холодная вода, и между ними находится узкий воздушный зазор. Из-за разницы температур молекулы воды испаряются из горячего солёного раствора, проходят через мембрану и воздушный зазор в виде пара и затем конденсируются почти чистой водой на холодной стороне. Большая часть соли остаётся в исходном потоке, делая его ещё более концентрированным рассолом. Такая схема может обрабатывать уровни солёности, слишком высокие для многих распространённых методов опреснения, что делает её привлекательной для обработки стоков рассола из существующих установок.

Испытания при разных скоростях потока и уровнях солёности

Чтобы понять, как лучше управлять этим процессом, исследователи систематически варьировали два простых параметра, которыми может управлять оператор: солёность поступающего рассола и скорость его течения через установку. Они протестировали три уровня солёности, типичные для концентрированного рассола (45, 55 и 65 граммов соли на литр), и скорости потока от медленного ручейка до интенсивного потока. Для каждого условия они измеряли, сколько чистой воды прошло через мембрану (поток), насколько эффективно задерживалась соль (удержание соли) и сколько тепловой энергии требуется на объём произведённой пресной воды. Одновременно каждое испытание ограничивали шестью часами, чтобы изучить ранние стадии накопления отложений и засорения поверхности мембраны, не смешивая их с долгосрочными повреждениями.

Поиск оптимальной точки работы

Результаты показывают привычный инженерный компромисс. Увеличение скорости потока рассола обычно повышало скорость производства пресной воды, потому что тёплая жидкость вблизи мембраны оставалась лучше перемешанной и продолжала испаряться. Однако это улучшение имело свою цену: при наибольших скоростях и уровнях солёности больше соли проникало сквозь мембрану, и чистота выходной воды снижалась. Энергопотребление также изменялось нетривиально. При очень низкой скорости энергия на литр была высокой, потому что вырабатывалось мало воды. По мере увеличения потока удельное энергопотребление падало до минимума, а затем начало снова расти из‑за потребностей в перекачке и других потерь. Наиболее сбалансированная работа наблюдалась при умеренном потоке около 2,0 литра в минуту и солёности до 55 граммов на литр: в этих условиях система обеспечивала хорошую отдачу воды, удаляла более 98 процентов соли и удерживала тепловую нагрузку в более разумных пределах для установки малого масштаба.

Что происходит с поверхностью мембраны

Помимо чисел на графиках, команда хотела понять, что происходит с материалом мембраны при этих условиях. С помощью электронного микроскопа они сравнили неиспользованные фильтры с образцами, проработавшими 72 часа. Новый материал показывал аккуратную сеть пор, тогда как использованные образцы демонстрировали изогнутые каналы и крошечные кристаллики соли, застрявшие в отверстиях, — явные признаки фоулинга и частичной закупорки. Отдельный метод химической идентификации подтвердил образование новых соединений и отложений на поверхности. Эти изменения помогают объяснить, почему очень высокие скорости и солёности со временем ухудшают работу: по мере накопления кристаллов и начального смачивания пор становится легче проникать солёной воде, что снижает чистоту выходного продукта.

Почему это важно для будущего опреснения

В целом исследование показывает, что воздушно-пробельную мембранную дистилляцию можно настроить так, чтобы превращать труднообрабатываемый рассол в дополнительную пресную воду, но лишь при соблюдении аккуратного диапазона рабочих условий. Слишком мягкий режим — и процесс тратит энергию впустую; слишком агрессивный — и фильтры засоряются, пропуская больше соли в продуктовую воду. Авторы утверждают, что работа при умеренном потоке и средней солёности представляет практический компромисс сегодня, в то время как будущие системы могут улучшиться за счёт более продуманной конструкции, утилизации тепла и цифрового мониторинга. Для неспециалистов ключевое послание такое: в стоках современных опреснительных установок всё ещё скрыто неиспользованное пресное водоснабжение, и с помощью вдумчивой инженерии его можно восстановить эффективно и с меньшим ущербом для окружающей среды.

Цитирование: Mohamed, E.S., Azzam, A.M., Mohamed, A.T. et al. Impacts of variable operating conditions on flux and energy efficiency of air gap membrane distillation for brine management. Sci Rep 16, 12028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36621-z

Ключевые слова: опреснение рассола, мембранная дистилляция, очистка воды, энергоэффективность, засорение (фоулинг)