可变工况对用于卤水处理的空气间隙膜蒸馏通量与能效的影响

将咸废水变为资源

现代的海水淡化厂缓解了用水短缺，却产生了另一个问题：大量难以处置且极咸的废水（卤水），若处理不当会损害环境。本研究探讨了一种有前景的方法——空气间隙膜蒸馏，通过该技术从卤水中进一步回收淡水，同时评估其能耗和设备的受损速度。研究指出了在获得更多洁净水、控制能耗并保护系统内过滤材料之间的平衡点。

这种热驱动过滤器如何工作

空气间隙膜蒸馏可被视为一种温和且受控的蒸发过程。热的咸水在一侧流动，另一侧为冷水，两侧由一层疏水薄膜和一小层空气间隙隔开。由于温差，水分子从热侧的盐溶液蒸发，作为蒸汽穿过膜和空气间隙，然后在冷侧凝结成近乎纯净的水。大部分盐留在原始流体中，使其成为更浓的卤水。该装置能处理许多常规淡化方法难以应对的高盐度，因此对现有厂的废卤水处理具有吸引力。

测试不同流速与盐度

为了解如何最佳运行这一过程，研究者系统地改变了两项操作参数：进料卤水的盐度和在装置中的流速。他们测试了三种典型浓卤盐度（45、55 和 65 克/升）以及从缓慢到较快的一系列流速。对每种工况，他们测量了穿过膜的淡水量（通量）、盐的截留效率（盐去除率）以及单位产水所需的热能。同时，每次试验限时六小时，以便研究早期的膜表面沉积与堵塞现象，而不与长期损伤混淆。

寻找最佳运行点

结果揭示了一个常见的工程权衡。加快卤水流速通常会提高淡水产率，因为膜附近的热液体保持良好混合，从而持续蒸发。但这种改进也有代价：在最高流速和盐度下，更多盐分透过，产水纯度下降。能耗的变化也并非直观可预期：在非常低流速时，每升产水的能耗较高，因为产水量很少；随着流速增加，单位能耗下降到某个最低点，然后随着泵送需求和其它损失增加而再次上升。对于该小规模装置而言，约 2.0 升/分钟的中等流速和不超过 55 克/升的盐度给出了最平衡的运行点：系统在此提供了良好的产水量、超过 98% 的脱盐率，并将热能需求控制在相对合理的范围内。

滤膜表面发生了什么

除了图表上的数据外，团队还关注在这些工况下膜材料本身发生了什么。通过电子显微镜比较未使用的膜与运行 72 小时后的样品，新的材料显示出整齐的孔隙网络，而使用过的样品则呈现扭曲的通道和卡在开口处的微小盐晶体，这是污垢和部分堵塞的明显迹象。另一种化学指纹分析方法确认了表面上形成了新的化合物和沉积物。这些变化解释了为何极高的流速和盐度最终会损害性能：随着晶体积累和孔隙开始润湿，咸水更容易渗透过去，从而降低产水的纯度。

这对未来淡化意味着什么

综合来看，研究表明空气间隙膜蒸馏可以通过调控工况将难以处置的卤水转化为额外的洁净水，但前提是运行在适当的条件窗口内。运行过于温和会浪费能量；过于激进则会导致膜污染并使更多盐分进入产水。作者认为，目前以中等流速和中等盐度运行是切实可行的折衷方案，而未来系统可以通过更聪明的设计、热量回收和数字化监控来进一步提升性能。对非专业读者而言，关键信息是：当今淡化厂的废物流中仍蕴藏着未被利用的淡水，通过审慎的工程设计，这些水可以以更高效且更环保的方式被回收。

引用: 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

关键词: 卤水淡化, 膜蒸馏, 水处理, 能效, 污垢/结垢