成果簡(jiǎn)介
近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院黃霞教授團(tuán)隊(duì)在環(huán)境領(lǐng)域著名學(xué)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(zhǎng)文綜述，對(duì)過(guò)去20年間關(guān)于卷式膜組件中進(jìn)水隔網(wǎng)的研究進(jìn)行了全面的綜述，剖析了20年間該領(lǐng)域研究關(guān)注點(diǎn)的轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)性總結(jié)了該領(lǐng)域的研究方法和研究進(jìn)展，分析了進(jìn)水隔網(wǎng)如何通過(guò)影響流道內(nèi)的水力學(xué)進(jìn)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(lǐng)域目前的研究不足和未來(lái)的研究方向。
引言
納濾(NF)、反滲透(RO)卷式膜元件被廣泛運(yùn)用于海水及苦咸水淡化、城市污水處理與回用等領(lǐng)域。進(jìn)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(xì)絲彼此交叉形成的菱形網(wǎng)狀構(gòu)型。它可以隔開(kāi)膜片、形成流道，增強(qiáng)流體湍動(dòng)和傳質(zhì)，減小濃差極化。然而，進(jìn)水隔網(wǎng)的存在使得流道壓降差(FCP drop)升高，過(guò)高的壓降差不僅會(huì)提高能耗，而且在長(zhǎng)期運(yùn)行中會(huì)使得膜元件受損。此外，隔網(wǎng)的網(wǎng)絲結(jié)點(diǎn)處易形成“死區(qū)”，導(dǎo)致微生物淤積和污染。過(guò)去20年間，研究者們對(duì)進(jìn)水隔網(wǎng)的研究主要集中在：(1)認(rèn)識(shí)進(jìn)水隔網(wǎng)對(duì)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(jìn)水隔網(wǎng)的幾何構(gòu)型和材質(zhì)，以提升膜元件的水力學(xué)性能和抗污染性能。本文首次對(duì)過(guò)去20年卷式膜組件進(jìn)水隔網(wǎng)的研究進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析識(shí)別出三個(gè)主要的發(fā)展階段，分析了研究重點(diǎn)隨時(shí)間轉(zhuǎn)變的原因，并對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行了展望。
對(duì)Web of Science獲取的主題為“ feed spacer”和“ membrane”、時(shí)間跨度為2001——2020年的文獻(xiàn)進(jìn)行文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析，可以發(fā)現(xiàn)在過(guò)去的20年里，該領(lǐng)域的文章和專(zhuān)利發(fā)表的數(shù)量均呈上升趨勢(shì)(圖2A和B)。在早期，產(chǎn)業(yè)界更早意識(shí)到進(jìn)水隔網(wǎng)對(duì)膜元件性能的重要影響，申請(qǐng)了一些相關(guān)專(zhuān)利。隨后，學(xué)術(shù)界也針對(duì)進(jìn)水隔網(wǎng)開(kāi)展了更多的研究，尤其是2009年以來(lái)取得了快速的發(fā)展。在涉及的膜工藝中，針對(duì)高壓驅(qū)動(dòng)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(lái)也受到了較多的關(guān)注(圖2C)。該領(lǐng)域的發(fā)文國(guó)家主要集中在荷蘭、沙特阿拉伯和美國(guó)，且三國(guó)之間呈現(xiàn)出密切的合作關(guān)系(圖2D)。對(duì)所有文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)分析和詞頻統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)過(guò)去20年的研究可以分為三個(gè)發(fā)展階段(圖3)。在第一階段(2001——2008年)，研究者主要關(guān)注進(jìn)水隔網(wǎng)的水力學(xué)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(jìn)水隔網(wǎng)和流道對(duì)于膜元件中生物污染的發(fā)生起到了至關(guān)重要的作用。此后的第二階段(2009——2015年)，對(duì)于進(jìn)水隔網(wǎng)的研究快速發(fā)展，并且研究重點(diǎn)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(lái)越多研究者開(kāi)始進(jìn)行新型進(jìn)水隔網(wǎng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以提升膜元件的水力學(xué)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(jìn)水隔網(wǎng)(feed spacer)是隔開(kāi)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(shí)間跨度為2001——2020年的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)結(jié)果。(A)每年相關(guān)文章發(fā)表情況；(B)每年相關(guān)專(zhuān)利授權(quán)情況；(C)發(fā)表文章中所涉及的膜工藝種類(lèi)分布；(D)主要發(fā)文國(guó)家及其合作關(guān)系。
圖3 對(duì)過(guò)去20年所有以“ feed spacer”和“ membrane”為主題的文獻(xiàn)中的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)分析和詞頻統(tǒng)計(jì)。所有文獻(xiàn)可以聚類(lèi)成三類(lèi)，并且呈現(xiàn)較為明顯的分階段發(fā)展特征，三個(gè)階段對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵詞分別為“流體力學(xué)”、“生物污染/生物膜”和“3D打印”。表明研究重點(diǎn)從第一階段(2001——2008年)的流體動(dòng)力學(xué)，過(guò)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(shè)計(jì)與優(yōu)化。
本文首先總結(jié)了該領(lǐng)域常用的研究方法，包括水力學(xué)實(shí)驗(yàn)、膜污染實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模擬。水力學(xué)實(shí)驗(yàn)和膜污染實(shí)驗(yàn)主要采用錯(cuò)流過(guò)濾裝置(圖4A)，且保證進(jìn)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(jìn)水隔網(wǎng)性能的重要參數(shù)，也是水力學(xué)實(shí)驗(yàn)主要的測(cè)試指標(biāo)之一，對(duì)其的測(cè)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(shí)驗(yàn)主要指生物污染實(shí)驗(yàn)，近些年研究者們開(kāi)始更多關(guān)注流道內(nèi)生物污染的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，這得益于實(shí)時(shí)原位觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，如PIV(圖4B)、OCT(圖4C)、NMR等，其中NMR已可以被運(yùn)用于工業(yè)級(jí)別的卷式膜組件中流態(tài)和膜污染的實(shí)時(shí)原位觀測(cè)。CFD模擬也歷經(jīng)了從早期的簡(jiǎn)單流態(tài)模擬，到后來(lái)耦合了傳質(zhì)、無(wú)機(jī)污染甚至生物污染的復(fù)雜模型的變化，模型的驗(yàn)證主要通過(guò)流道壓降差的測(cè)定或和原位觀測(cè)的流場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)來(lái)完成。
圖4 (A)錯(cuò)流過(guò)濾裝置(Lin et al.，2020)；(B)顆粒成像測(cè)速(PIV)系統(tǒng)(Haidari et al.，2016)；(C)光學(xué)相干斷層掃描(OCT)系統(tǒng)(Gao et al.，2013)。
進(jìn)水隔網(wǎng)對(duì)膜元件水力學(xué)性能的影響與進(jìn)水隔網(wǎng)的幾何特征密切相關(guān)。在一定尺度的流道內(nèi)，流場(chǎng)具有周期重復(fù)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(diǎn)的下游處。進(jìn)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(jìn)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(dǎo)致的。進(jìn)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(huì)影響水力學(xué)性能。
在2009年以前，研究者們往往只關(guān)注膜面污染的問(wèn)題，而未對(duì)隔網(wǎng)污染做深入的探究。事實(shí)上，隔網(wǎng)污染會(huì)對(duì)膜元件性能的下降產(chǎn)生重要的影響。Johannes Vrouwenvelder等發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物污染發(fā)生在進(jìn)水隔網(wǎng)上時(shí)，流道壓降差會(huì)增加到初始的4——5倍，這會(huì)削減驅(qū)動(dòng)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(shí)間的動(dòng)態(tài)發(fā)展(圖6)來(lái)看，流道內(nèi)生物污染首先會(huì)發(fā)生在進(jìn)水隔網(wǎng)上，尤其是網(wǎng)絲結(jié)點(diǎn)附近的流動(dòng)“死區(qū)”?？梢钥吹剑M(jìn)水隔網(wǎng)是通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的改變來(lái)影響生物污染的發(fā)生和分布。傳統(tǒng)上認(rèn)為，高錯(cuò)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(cuò)流速度有助于生物膜脫落，但相同時(shí)間下也帶來(lái)了更多的營(yíng)養(yǎng)組分，這有助于微生物的生長(zhǎng)。同時(shí)，由于生物污染發(fā)生時(shí)流道壓降差會(huì)顯著上升，在高錯(cuò)流速度下更加顯著。因此，當(dāng)生物污染為主導(dǎo)時(shí)，宜采用較厚的進(jìn)水隔網(wǎng)，以適當(dāng)降低錯(cuò)流速度。但是低錯(cuò)流速度下易導(dǎo)致無(wú)機(jī)污染(結(jié)垢)，而高錯(cuò)流速度下則不易發(fā)生，因此當(dāng)無(wú)機(jī)污染為主要污染類(lèi)型時(shí)，宜采用較薄的進(jìn)水隔網(wǎng)。目前，在國(guó)外某些地區(qū)的實(shí)際多級(jí)膜處理過(guò)程中，往往在前端生物污染較重的膜元件中采用較厚的進(jìn)水隔網(wǎng)，而在后端無(wú)機(jī)污染較重的膜元件中采用較薄的進(jìn)水隔網(wǎng)。
圖5 生物膜在流道內(nèi)的空間分布。(A)長(zhǎng)期運(yùn)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(shí)驗(yàn)室錯(cuò)流過(guò)濾下的生物污染(Ngeneet al.，2010)。
圖6 生物膜在流道內(nèi)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)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(cè)(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?cè)谶M(jìn)水隔網(wǎng)的改進(jìn)上做了一些嘗試和探究，主要包括：(1)改進(jìn)表面材質(zhì)。例如，在進(jìn)水隔網(wǎng)表面進(jìn)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(jìn)水隔網(wǎng)(圖7)。雖然這些改進(jìn)大多在實(shí)驗(yàn)室取得了良好的水力學(xué)性能和抗污染性能，但考慮到實(shí)際應(yīng)用，還存在諸多問(wèn)題。例如，涂覆層組分在長(zhǎng)期運(yùn)行中的穩(wěn)定性以及有毒物質(zhì)泄露到環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)；3D打印技術(shù)的規(guī)模、打印速度和成本問(wèn)題；新型構(gòu)型能否適用于卷式膜元件和長(zhǎng)期高壓條件等。德國(guó)Lanxess 公司開(kāi)發(fā)的ASD(alternating strand design)進(jìn)水隔網(wǎng)可能是更適用于實(shí)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(xué)黃霞團(tuán)隊(duì)WR：變徑網(wǎng)絲進(jìn)水隔網(wǎng)幾何特征對(duì)膜元件的水力學(xué)和抗污染性能的影響探究)也指出變徑網(wǎng)絲構(gòu)型進(jìn)水隔網(wǎng)在水力學(xué)性能和抗污染性能上具有優(yōu)勢(shì)，今后可以在此基礎(chǔ)上開(kāi)展進(jìn)一步的優(yōu)化。
圖7 各種通過(guò)高精度3D打印制造的新型進(jìn)水隔網(wǎng)。
小結(jié)
本文對(duì)過(guò)去20年水處理領(lǐng)域卷式膜組件進(jìn)水隔網(wǎng)的研究進(jìn)行了全面的綜述，主要結(jié)論如下：
(1)水力學(xué)實(shí)驗(yàn)、膜污染實(shí)驗(yàn)和CFD模擬相結(jié)合的研究方法可以更好地探究進(jìn)水隔網(wǎng)對(duì)膜元件的水力學(xué)性能和抗污染性能的影響。
(2)進(jìn)水隔網(wǎng)的構(gòu)型對(duì)流場(chǎng)具有重要的影響。其增強(qiáng)了流道內(nèi)的平均壁面剪切力和傳質(zhì)，但也導(dǎo)致流道壓降差的升高和局部的流動(dòng)“死區(qū)”。因此，對(duì)進(jìn)水隔網(wǎng)的優(yōu)化很有必要。
(3)進(jìn)水隔網(wǎng)的構(gòu)型和水力學(xué)條件對(duì)生物污染有重要影響，應(yīng)更加關(guān)注隔網(wǎng)污染的問(wèn)題。
(4)改進(jìn)表面材質(zhì)和優(yōu)化幾何構(gòu)型是進(jìn)水隔網(wǎng)優(yōu)化的兩個(gè)主要手段。在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，涂覆層組分的穩(wěn)定性以及新型構(gòu)型的實(shí)用性仍然是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。
本文也對(duì)未來(lái)該領(lǐng)域的研究方向進(jìn)行了展望和建議：
(1)推動(dòng)進(jìn)水隔網(wǎng)性能評(píng)價(jià)體系的標(biāo)準(zhǔn)化。
(2)增進(jìn)流場(chǎng)變化與膜污染之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。
(3)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能真正運(yùn)用于實(shí)際膜元件且能提高膜元件水力學(xué)性能和抗污染性能的新型進(jìn)水隔網(wǎng)。
(4)開(kāi)展用于飲用水處理的卷式膜元件中進(jìn)水隔網(wǎng)的研究。
(5)開(kāi)展進(jìn)水隔網(wǎng)對(duì)于有機(jī)污染控制的研究。
(6)開(kāi)展產(chǎn)水隔網(wǎng)(permeate spacer)的研究。
原標(biāo)題：編委風(fēng)采丨清華大學(xué)黃霞團(tuán)隊(duì)WR綜述：水處理用卷式膜組件進(jìn)水隔網(wǎng)的作用與性能優(yōu)化