阐明盐度在反渗透和纳滤石膏结垢调控中的作用

为何咸水与隐形晶体重要

随着社区越来越多地利用海水和含盐废物流作为饮用水与再利用水源，先进膜技术以相对低的能耗去除盐分。然而，这些过滤器可能在表面上无声无息地被看不见的矿物结晶堵塞，降低产水并推高成本。本研究提出了一个看似简单但影响巨大的实际问题：进水的总体咸度如何改变麻烦的石膏晶体在反渗透和纳滤膜上形成与生长的方式？

盐分、膜与顽固的石膏结垢

反渗透和纳滤将水压过薄薄的高分子膜以阻留大部分溶解盐。当钙和硫酸根的浓度过高时，它们会结合形成粘附在膜上的石膏晶体，这一过程被称为结垢。以往研究表明，在简单的烧杯实验中加入背景盐（如氯化钠）可以延迟石膏形成，但尚不清楚这是由于改变了成晶化学、晶体生长速率，或两者兼有，也不清楚在实际运行的膜表面上这种效应如何表现。

在静态咸水中观测晶体出现

研究人员首先在静止、充分混合并含不同氯化钠浓度的溶液中研究石膏形成。他们通过监测电导率的变化作为简单信号，记录晶体开始出现所需的时间。随着盐度增加，晶体出现的等待时间变长，表明更高的盐度延缓了石膏形成的最初步骤。显微镜和X射线测试显示，最终形成的晶体在各盐度下外观与行为大致相同，表明晶体的形态和内部结构基本未变。采用经典成晶理论的细致分析表明，形成新晶体的能垒和基本碰撞速率并未随盐度改变。相反，额外的背景盐降低了溶液中钙与硫酸根的“有效强度”，从而降低了它们相互结合的倾向。

在流动膜上发生的结垢

研究小组随后从静态烧杯转向更能模拟实际海水淡化厂的流动膜室。他们向系统提供含有形成石膏所需物质的进水，并在有无添加氯化钠的条件下观察膜通水量在数小时内的变化。在每种情况下，随着石膏堆积，通量均出现下降，但当背景盐度更高时，下降速度明显更慢。用过的膜片图像证实在较高盐度下晶体覆盖更少。重要的是，这一规律在多种允许水与不同离子以不同速率通过的商业膜上都成立，也适用于对某一膜进行运输特性调节但保持表面纹理相近的改性膜。

膜特性与盐度如何协同作用

为将这些观察联系起来，作者计算了一个“膜表面饱和水平”，反映形成石膏的离子在膜入口处局部浓缩的程度。该值取决于膜对各离子的排拒强度、背景盐的含量以及流动水在表面附近使溶质浓缩的程度。在从不同盐度到不同膜类型的多种测试中，这一单一的表面饱和衡量指标与通量下降程度呈强线性相关。允许更多背景盐通过的膜可以降低局部盐度，这可能有利于结垢；但如果这些膜同时允许更多钙和硫酸根通过，膜表面的形成石膏离子积累就会减少，结垢也会减轻。表面粗糙度通过影响晶体附着或脱落的难易再增添变量，但膜表面饱和度仍然是评估整体结垢严重程度的可靠指标。

对更洁净供水的意义

对非专业读者来说，关键信息是：重要的不仅仅是进水有多咸，而是这种盐度如何在微观上重塑膜表面的化学环境。只要膜特性与运行条件能控制好表面饱和度，较高的背景盐实际上能通过削弱新晶体形成的驱动力来减缓石膏积聚。工程师若将注意力集中在水－膜界面的饱和水平上，就能更好地预测石膏何时何地会阻塞海水淡化系统，并设计出使清洗间隔更长的膜与运行策略，从而保持洁净水长时间稳定流出。

引用: Park, S., Tian, Y., Lee, H.K. et al. Elucidating the role of salinity in regulating gypsum scaling in reverse osmosis and nanofiltration. npj Clean Water 9, 43 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00575-6

关键词: 海水淡化, 反渗透, 膜结垢, 石膏, 盐度