论文来源Wei Zhang, Shuili Yu, Rongsheng Ning, Pan Li, Xingli Ji, Ying Xu. Treatment of high-salinity brine containing dissolved organic matters by vacuum membrane distillation: A fouling mitigation approach via microbubble aeration[J]. Journal of Environmental Management, 2023, 342: 118142. DOI: 10.1016/j.jenvman.2023.118142同济大学环境科学与工程学院/污染控制与资源化国重上海污染控制与生态安全研究院NSFC 51978484资助NANO-LF1500由Pan Li课题组提供核心亮点实验室VMDNANO-LF1500微泡曝气MBA、泵压0.4 MPa、65℃、进料120 L/h0.69 m/sRe≈3117、真空0.09 MPa、PTFE 0.3 μm/120 cm²合成高盐进水HS-1TDS 75 g/L/HS-2113 g/L/HS-363 g/L模型有机物HA/BSA/SA各75 mg/L薄松散有机层不降通量但致密晶/机复合层反而抑湿MD模拟显示有机物先于无机结垢吸附PTFESA因羧基氢键吸附能最大引入MBA后污染膜上盐沉积去除近50%机理为表面剪切负电微泡对Ca²⁺/Mg²⁺静电吸引MBA仅增约2.2%总能耗三批次重复无MBA两批后J/J₀0.2、盐沉积250 g/m²有MBA三批后仍缓降且产水电导0–30 μS/cm。一、研究背景与技术痛点高盐浓水反渗透浓水、电渗析尾水、页岩气返排液、垃圾渗滤液纳滤/反渗透浓缩液的减量化和近零排放是膜法水处理里最硬的骨头之一。膜蒸馏MD靠疏水膜两侧蒸汽压差传质理论截盐近100%、可用低品位热能、对高盐不敏感、可浓至过饱和比RO/NF更适合做浓水末端浓缩。但工程落地的核心障碍是膜污染/结垢膜润湿CaSO₄、CaCO₃等无机垢长进膜孔就直接击穿疏水性通量塌方且产水跑盐。已有控垢手段分几类进料预处理MF/UF/NF、软化、混凝、阻垢剂加药成本、污泥、阻垢剂环境风险化学清洗酸/碱停机、膜损伤、二次废水新型超疏水/全疏膜改性抗垢效果不完全稳定长期稳定性存疑气液两相流鼓泡靠近膜面剪切抑制沉积但粗泡能耗高、驻留短、对有机无机复合污染作用机制不清。微泡MB≤50 μm和纳米泡NB≤200 nm有高负ζ、大比表面、低浮力、长寿命前期团队已证明MBA能缓解VMD无机结垢Ye et al., Water Research 2019。本文进一步把问题推到更贴近实际的场景——高盐进水中同时存在HA腐植类、BSA蛋白类、SA多糖类三类天然有机物问两件事有机物在高盐VMD里到底是加速结垢还是保护膜MBA能不能在无加药条件下同时缓解有机-无机复合污染二、实验设计1. VMD装置与膜膜日本VALQUA平板PTFEPET支撑孔径0.3 μm、孔隙率70%、厚0.55 mm、接触角130°、有效面积120 cm²20×6 cm系统加热磁力搅拌器把5 L进料升到65℃→自吸泵循环→膜组件→真空泵抽吸渗透侧真空0.09 MPa→冷凝收集循环量120 L/h流速0.69 m/sRe≈3117初始纯水通量J₀30.6 L·m⁻²·h⁻¹数据统一用归一化通量J/J₀微纳米气泡发生器NANO-LF1500上海行恒科技泵压0.4 MPa前文已表征过该压力下微泡浓度在限定区间进气为环境空气溶气释放。2. 进水配方高盐基底分三档见无线表2原文HS-1TDS≈75 g/L电导91.73 mS/cm含Ca²⁺ 0.83、Mg²⁺ 2.60、Na⁺ 23.39、Cl⁻ 42.02、SO₄²⁻ 5.40 g/LpH 7.01HS-2TDS≈113 g/L电导134.15 mS/cm各离子约1.5倍HS-1pH 10.15HS-3无Ca²⁺/Mg²⁺TDS≈63 g/L主要看有机层无石膏结垢的对照模型有机物HA腐植酸代表、BSA蛋白代表、SA海藻酸钠/多糖代表单剂30–120 mg/L扫浓度混配各75 mg/L。3. 分析与表征通量JV/(A·t)每小时称渗透液体积盐沉积量S_d(M−M₀)/AM₀4.03 g为新生膜重形貌Zeiss Gemini SEM300EDS面扫有机物组成Hitachi F7000 三维激发-发射矩阵3D-EEM吸附倾向分子动力学模拟4 ns比对接能判断HA/BSA/SA与PTFE界面作用能耗对比有无MBA在不同泵压下的比能耗η以及MBA占系统总能耗比例。三、核心结果与数据分析1. 纯有机物阶段薄松散有机层不卡通量但会穿过去一点HA/BSA/SA单剂30→120 mg/LJ/J₀维持在0.6–0.8通量没被明显压垮SEM横截证实有机物主要在膜表面铺一层薄而松的污染层不堵孔但产水TOC高于饮用水国标≤5 mg/L——有机物借氢键与水蒸气耦合经吸附-脱附扩散进渗透侧说明有机污染的关键不是降通量是产水有机质穿透MD模拟HA/BSA约2 ns稳定吸附到PTFESA约4 ns吸附相互作用能为负即自发倾向。定量上SA吸附能最大——羧基含量高≈3.5 meq/g与膜面氢键数量多所以多糖类比蛋白/腐植酸更早贴上去。2. 高盐有机物有机层反而成了防润湿保护垫HS-2盐更浓通量掉得最狠说明结垢严重度首先由离子强度决定和有机物种类关系不大但有有机物时SEM看到结晶从针状变成不规则团聚状晶层更致密Ca/Mg/S元素主要停在膜表面、不往孔里钻产水电导全程0–50 μS/cm无膜润湿——致密晶体有机复合层把结垢离子扩散通道堵了反而护住疏水孔HS-3无Ca²⁺/Mg²⁺膜面晶体稀疏进一步反证润湿与否取决于有无石膏类结晶入侵而不是有没有有机物3D-EEM进水峰在Ex/Em 280/450、370/455腐植类为主产水荧光强度大幅走低但检出色氨酸/酪氨酸类小份子——VMD热处理把大分子打散成低分子有机物透过去。3. MBA引入近50%盐沉积被搬走通量衰减放缓0.4 MPa MBA下HS-1/HS-2污染膜盐沉积去除接近50%J/J₀下降趋势被削弱且产水电导仍0–30 μS/cm没因为鼓泡把膜弄湿SEM对比有MBA膜面残余晶体明显更少HS-1HA/BSA/SA组去除效果优于HS-2组——盐离子越浓MBA效率越受限于微泡浓度上限三批次重复每批约1000 min级无MBA两批后J/J₀跌破0.2盐沉积堆到250 g/m²有MBA三批后约2200 min仍缓降电导0–30 μS/cm盐沉积增量被压住。4. MBA双机理不是单靠气泡蹭流体剪切百万级微泡在进料通道制造湍流提高近膜面剪切率缓解温度极化和浓度极化不让垢晶稳长负电吸引微泡界面带负电对Ca²⁺、Mg²⁺等反离子有静电捕获降低主体液里可参与结垢的游离离子有效浓度。两者叠加物理搬移已沉积盐化学前驱降活所以能无加药控垢。5. 能耗账真省不同泵压下MBA对系统总能耗影响很小MBA自身仅吃掉约2.2%总能耗比能耗η随时间下降的趋势在0.4 MPa MBA下被部分托住——微泡混合削弱了温度极化带来的效率衰减。四、机理归纳VMD-MBA防污四步框架有机优先成膜进料中SA/HA/BSA先在PTFE面铺薄层MD模拟佐证无机垢随后长在这层之上而不是长进孔里复合层抑湿有机晶体致密层封住孔口通道结垢离子进不去膜基质通量后期掉但电导不崩微泡剪切搬垢MBA制造近膜湍流把松散/半附着盐晶刮起来带回主体液盐沉积量减半负电预捕离子微泡界面俘获Ca²⁺/Mg²⁺降低局部过饱和延缓新晶核形成能耗增量仅2.2%左右。边界提醒本文MBA主作用是缓垢搬垢不是把有机物氧化掉。有机物穿透问题靠VMD本身解决不了后续若接饮用水/高纯水标准仍要后置活性炭、NF或UV-AOP。五、与其他控垢路线的横向定位vs 阻垢剂/酸碱清洗无药剂、无二次盐水、无停机但只适中度结垢重垢仍要预处理vs 超疏水膜改性不改膜材料、可 retrofit 到现有VMD长期稳定性靠三批次实验初步验证vs 单纯大泡鼓气微泡负电小尺寸带来静电捕离子能力大泡主要只有剪切vs 前期同组Water Research 2019MBA缓无机垢本文把有机物-无机复合污染、MD模拟、长期三批次、能耗拆分都补齐了是那篇的高盐有机版延伸。六、工程启示与局限适用RO浓水、电渗析尾水、垃圾渗滤液MD浓缩段、页岩气返排液预处理后浓缩——只要有机物以HA/BSA/SA类天然有机质为主、TDS几十到一百多g/LMBA可作VMD标配旁路参数建议NANO-LF1500类溶气微泡、泵压0.4 MPa、进料60–65℃、循环流速约0.7 m/s、真空0.09 MPa高盐100 g/L时MBA增益收窄需配合适度稀释或分段浓缩布置要点微泡发生器放膜面进料侧近膜区不是远端循环桶产水侧继续监电导0–30 μS/cm为安全窗局限一仅三种模型有机物未做实际渗滤液/印染/制药混配水表面活性剂尤其阴离子表活可能促润湿局限二6 L批次、无真实长期72 h连续中试盐沉积近50%是批次末称重不是在线实时局限三微泡实时粒径分布未在主文给0.4 MPa下的MB浓度/ζ沿用前作放大需重测KLa与气泡持液率局限四有机物穿透产水只做了3D-EEM定性没做具体TOC物料平衡和DBP/卤代副产物评估。七、总结表维度本文结果论文JEM 2023, 342:118142DOI 10.1016/j.jenvman.2023.118142装置实验室VMDNANO-LF1500泵压0.4 MPa65℃120 L/h0.69 m/sRe≈3117真空0.09 MPa膜PTFE平板0.3 μm120 cm²接触角130°J₀30.6 L·m⁻²·h⁻¹进水HS-1 TDS75 / HS-2 TDS113 / HS-3无Ca,MgHA/BSA/SA各75 mg/L混配有机单层30–120 mg/L下J/J₀0.6–0.8不堵孔但产水TOC超标穿透复合污染致密有机晶层抑湿产水电导0–50 μS/cm不润湿MD模拟HA/BSA~2 ns吸附SA~4 nsSA吸附能最大羧基氢键MBA效果盐沉积去除近50%三批次后有MBA仍缓降无MBA两批后J/J₀0.2、盐沉积250 g/m²机理近膜剪切负电微泡捕Ca²⁺/Mg²⁺能耗MBA仅占总能耗约2.2%比能耗衰减被部分缓解该工作把VMD防污从阻垢剂/换膜拉回气液两相流无药控垢先靠有机物自发在PTFE面打底、把孔口护住不润湿再用LF1500微泡在进料侧做剪切搬垢静电捕离子批次末污染膜上近一半盐沉积被移除自身只吃2.2%总电耗。价值不在通量翻倍而在延缓VMD长期结垢、推迟清洗/换膜周期——对高盐有机浓水近零排放线是低成本retrofit思路。代价是有机物本身会穿透产水、超高盐HS-2级下MBA增益受限实际工程必须配后处理和对电导的在线联锁。发布说明本内容为对一篇开放获取CC BY 4.0学术论文的翻译与解读旨在进行知识分享与技术交流不涉及任何商业用途。所有科学观点均归原作者所有。