文献信息：Xiao Hu, Junjie Li,
Sanchuan Yu, et al. Enhanced mass
transfer and energy efficiency by a biomimetic feed spacer in reverse osmosis
membrane modules [J]. Journal of Membrane Science, 2025, 713, 123290.（点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
淡水资源短缺是当今世界面临的重大挑战，海水淡化技术成为缓解淡水资源短缺的有效途径。反渗透（RO）技术是海水淡化领域最常用的技术，但由于螺旋卷式膜组件（SWM）存在高能耗和膜污染等挑战，限制了其应用。进料隔网是RO膜组件的关键部件，其配置对膜组件的流体动力学特性和传质性能有重要影响。目前大多数新型进料隔网设计主要指标关注提高水通量，未能充分考虑相关的能耗增加。因此，设计既能获得高渗透水通量又能减小压降的隔网材料是非常紧迫的。
2、创新点
本研究首次将生物仿生学应用于反渗透海水淡化中的隔网设计，旨在利用海豹胡须的优异水动力性能来降低SWM的能量损失并提高淡水产量。这种仿生隔网材料具有独特的椭圆横截面和周期性波动结构，与先前研究的隔网有很大的不同，且结构更简单、更容易制造。本研究通过比较商用隔网、圆形截面隔网和仿生隔网的性能，获得了性能更优的改进型仿生隔网。此外，本研究通过研究仿生隔网结构参数（椭圆形截面面积比SR、扭转角φ和间距角度γ）对能量损失和传质的影响，基于隔网材料沿流动方向的投影面积、雷诺数和压降推导出用于计算能量损失因子λ的理论公式，为海水淡化技术的发展提供了新的见解和方法。
3、实验设计
基于海豹胡须的结构确定建模参数，构建海豹须仿生隔网丝模型（图1）。在几何尺寸为16mm×0.8mm×4mm的计算域内创建四个间隔单元（图2），间隔单元与膜表面之间的最小距离确保为0.1mm。利用FLUENT对流道内的流动场和浓度场进行数值模拟以研究网格数量对渗透通量的影响，并使用与Buss等相似的可变截面隔网模型和相同的边界条件对数值模拟进行实验验证，同时使用计算机控制泵的流量和压力，通过产水体积计算水通量。最后，采用先进的数字光处理技术进行3D打印，制造改进的仿生隔网物理模型。
图1 (a)海豹的图像和(b)海豹须[29]的光学显微照片；(c)说明仿生海豹须细丝模型及相关模型参数的示意图。
图2 仿生隔网的计算域模型和结构参数。
4、实验结果
4.1 基于海豹须仿生隔网的设计与优化
4.1.1 椭圆形截面面积比对仿生隔网性能的影响
仿生隔网丝的截面为面积周期变化的椭圆，故截面面积极值的比SR可以作为隔网设计因素之一。本文通过数值模拟，研究了在两个典型的雷诺数（Re=50，200）下SR对压降、浓度极化系数（CPC）、水通量和单位压降产水比（SPR）的影响（图3，图4）。研究发现随着SR值的增加，压降整体呈下降趋势，这表明增加隔网在x方向的波动结构有利于降低压降。随着SR值的增加，CPC随之升高；当SR达到1.254时，CPC出现显著下降，这表明较小的SR值有利于降低CPC，从而提高水通量（小编注：应该说错了把，前面说随着SR值的增加CPC升高，这不是矛盾么？）。由于CPC的下降，水通量随着SR值的增加而升高。随着SR值的增加，SPR呈现先降低后升高，最后降低的趋势；且当SR=1.518，Re=50时，SPR值达到最大。
因此SR=1.518且Re=50对应的改进型仿生隔网（IBS）可增加水通量，还可以减少能耗，具有最佳的性能。
图3 不同椭圆截面积比(SR)的仿生间隔单元模型。
图4 Re = 50、200时的椭圆截面积SR对(a)压降的影响(b)CPC；(c)水通量；(d) SPR。
4.1.2 扭转角φ对仿生隔网性能的影响
本文通过数值模拟，采用两种雷诺数（Re=50，200）考察φ（30°,60°,90°,120°,150°,180°）对压降、CPC、水通量和SPR的影响（图5）。研究发现压降随着φ增大迅速上升到最大值后逐步下降；当φ=0°时，压降最小；当90°≤φ≤120°时，压降达到最大值。根据0°的扭转角设计出理想的仿生隔网结构（图5a）。CPC一般随着φ的增大而减小，在0°时达到最大，180°最小；Re=200时，CPC显著降低，有利于水通量的增加（图5b）。
通过对隔网性能进行综合性评价（图5d）发现无论Re值高低，φ=0°的改进仿生隔网（IBS）SPR值最高，φ=90°-120°性能最差，其次是φ=180°的高通量高压仿生隔网（HBS）。
结果表明扭转角度为0°的改进型仿生隔网表现出最佳综合性能，降低能耗同时显著提高水通量；扭转角度为180°的高压仿生隔网在降低CPC方面具有优势，但压降较高，适用于低压要求的废水处理。
图5 Re = 50、200时的扭转角φ对(a)压降的影响；(b)CPC；(c)水通量；(d) SPR。
4.2 五种隔网的性能比较
本文通过数值模拟，选取两个典型的雷诺数(Re=50, 300)比较五种隔网结构（圆柱形隔网CS，商业隔网S1，原型仿生隔网BS，高通量高压仿生隔网HBS，改进型仿生隔网IBS）在相同体积下的性能（图6）（小编注：太多对比组了，读的时候有点难记住）。
图6 (a)圆柱形隔网，(b)商用隔网，(c)φ=0◦，SR = 1.037的原型仿生隔网，(d)φ=18◦，SR = 1.037的高通量高压仿生隔网(HBS)，(e)φ=0◦，SR = 1.518的改进型仿生隔网(IBS)。
研究发现，五种隔网的压降、水通量都随着Re值的增加逐渐升高，且之间压降的差异越来越明显（图7a，7c），其中IBS压降显著低于其他隔网，对应HBS水通量最高且CS最低。随着Re值增加，五种隔网的CPC都降低，其中HBS最低，S1次之，CS最高（图7b）。随着Re值增加，五种隔网的SPR逐渐降低，其中IBS显著高于其他隔网（图7d）。
图7 Re对(a)压降的影响；(b)CPC；(c)水通量；(d)四种间隔结构SPR。
为了进一步解释这五种隔网的流体力学，将截面处的流体速度、涡流和NaCl浓度分布进行比较（图8-10），研究发现CS和S1在间隔材料附近和膜表面附近存在较高的涡流，导致能量损失和压降增加。BS和IBS由于其不规则的椭圆形截面，产生了更宽的高速流动区域和更少的涡流发散，从而提高了水通量、降低了压降和能量损失。HBS的截面最长轴与流动方向相反，导致低压降区域较大，流体流动阻力增加，造成了高压降。
图8 不同隔网截面的速度等值线图。
图9 不同隔网截面的涡度等值线图。
图10 具有不同隔网的膜表面NaCl浓度等高线图。
4.3 间距角度γ对改进型仿生隔网性能的影响
本节全面分析了隔网丝与流动方向之间的夹角γ对改进仿生隔网（IBS）性能的影响（图11），研究发现压降一般随着Re的增大而增大，随γ的减小而增大。γ=120°时CPC和氯化钠浓度显著低于γ=60°的值；当Re=50，γ=60°的水通量比γ=120°高约5%，且随着Re增加，γ=60°、90°、120°处水通量均增加。
通过分析γ对SPR值的影响，发现当γ=120°时，改进的仿生隔网后面存在较大的涡流发散和局部速度值，造成过大的压降和能量损耗。考虑IBS中压降和水通量的综合影响，γ=60°具有更好的综合性能和应用价值。
图11不同间距角度γ，雷诺数Re对(a)压降；(b) CPC；(c)水通量；(d) SPR的影响。
4.4 能量损失因子λ的预测
为了进一步分析和预测仿生隔网影响下膜通道内的机械能消耗，本文提出能量损失因子λ，从而建立能量损失因子与隔网沿流向投影面积、雷诺数和压降之间的理论公式，这可以更好地反映与隔网结构特性相关的能量消耗特性。
本文首先通过式18定义了能量损失因子，并将其简化为λ与Re的数值关系（式19）。通过数值拟合可以求得经验系数a和b之间的关系式（式20）（图12a，12b），：
图12（a）经验系数与隔网设计参数的关系；（c）预测IBS对Re的能量损失因子。
当γ=60°，90°，120°时，随着Re的增加，γ的增长率随着φ的增加而升高，这表明流体机械能的额外损失随着φ的增加而增加（图12c）。该公式可以有效地预测隔网结构特性引起的流体能量损失，为海水淡化工程应用提供理论支持。
5、总结与启发
本研究受海豹须的启发，设计了一种仿生进料隔网，通过研究表明，与圆柱形隔网和商用隔网相比，原型仿生隔网和改进仿生隔网均具有显著的性能优势，可以有效地减少能量损失，增加水通量。改进仿生隔网在低和高雷诺数条件下均表现出最佳综合性能，其结构参数为φ =0°，SR=1.518，γ=6。最后通过数据和理论分析，建立能量损失因子与隔网沿流动方向投影面积、雷诺数和压降之间的数学模型。该模型可有效预测因隔网结构特性引起的流体能量损失，为海水淡化的工程应用提供理论支撑。
仿生隔网的设计需要综合考虑压降、浓差极化和能量损失等因素，才能获得最佳的性能。未来可以进一步探索其他生物结构在海水淡化中的应用，以及在其他膜分离过程中的应用。
导师点评：膜组件隔网的优化设计研究非常有必要，该研究也从仿生角度对隔网结构设计提出新见解，特别考虑了压降和能量损失参数。但是真的内容太多了（19张组图），对读者真的很不友好，要是能更聚焦一点就好，从海豹胡须结构中获得的最重要启示是什么？看完好像也没太get到。
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