文献信息：Almahfoodh S, Qamar A, Kerdi S, et al. Novel coiled hollow fiber module for high-performance membrane distillation [J]. Water Research, 2024, 251121127.（点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
直接接触式膜蒸馏（DCMD）是膜蒸馏装置应用最广泛的构型，但低传热效率和高能耗限制了其规模化应用。中空纤维（HF）膜具有高装填密度，并且比平板膜更容易操作，所以其更有利于膜蒸馏设备的高效运行与设计。但是由于温度极化和热传导损耗限制了其放大和过滤效率。由于传统的DCMD膜组件中进料流动方向与膜表面平行，加剧了温度极化效应和传导损耗。本文旨在设计新型中空纤维膜组件来克服DCMD技术的挑战，提高其通量和能量效率。
2、创新点
本文介绍了一种新型的螺旋式中空纤维（CHF）膜组件设计。CHF膜组件结合了低密度纤维的卷绕包装和局部加热（LH）以减轻温度极化。其中，纤维的排列类似于游乐场螺旋滑梯，可以有效地将更多纤维暴露在相同温度下（即相同的驱动力）。本研究有望为HF-MD膜组件的设计优化和工艺可扩展性提供有效的开发途径。
3、实验方法
图1a和b分别展示了本研究使用的CHF膜组件和传统DCMD膜组件。CHF膜组件采用不锈钢圆筒形外壳，内部每个组件放置两个聚丙烯中空纤维膜，纤维绕成螺旋状围绕加热元件。错流模式下测试膜组件的实验装置如图1c所示，分别在错流模式和LH模式下比较两种膜组件的通量和能量效率（小编注：应该讲清楚这两种模式的区别，一个是有泵驱动料液循环，一个是仅靠重力驱动添加料液）。然后通过多尺度模拟分析膜组件内部的流量和温度分布。最后，通过改变相对于纤维的流动方向对温度极化、通量和损耗的影响，进行性能和基本物理分析。
图1 中空纤维膜组件：(a)CHF膜组件的截面设计，包括一个加热元件和(b)传统膜组件的逆流配置。(c)在DCMD错流模式下实验装置示意图。
4、实验结果
4.1 CHF在局部加热模式下运行的性能
图2a显示了CHF在LH模式下的通量，可以看出通量随进料温度升高而增加。研究发现，由于加热元件的存在，进料温度得以维持在膜附近的设定点（TF=40-70℃），从而抵消了温度极化（TP）效应，提高了传热驱动力，最终导致通量增加。通过多尺度模型模拟LH模式下CHF组件进料室的温度、流量和流速分布（图2b-f），发现进料在组件内部流动均匀，且温度分布合理，为LH机制的有效性提供了理论依据。但是膜纤维与加热元件之间的距离较大，可以尝试将纤维缠绕地更加紧密，以提高温度控制效率和LH效率。
图2 在LH模式下测试DCMD中的CHF膜组件得到的数值和实验结果：(a)不同进料温度下的实验蒸汽通量。虚线表示通量增加的指数趋势，(b)进料从入口（底部红色圆）到出口（顶部红色圆）的流线，(c)径向和轴向的速度分布，(d)和(e)轴向和径向的温度分布，以及(f)中空纤维表面温度。
4.2 CHF在错流模式下运行的性能
与LH模式类似，由于膜表面的蒸气压差较大，错流模式下通量也随着温度升高而增加（图3a）。但是与错流模式相比，LH模式下的通量更高。多尺度模拟结果（图3b-f）显示，错流模式下的液体混合效率低于LH模式，导致不同的纤维段暴露在不同的进料温度下，降低了通量。并且模拟结果突出了CHF膜组件在错流模式下驱动力的损失严重，因此突出了LH在维持膜表面驱动力方面的有效性。结果表明可以尝试将进料口设置于组件中心，使进料均匀分布。
图3 通过在错流模式下测试DCMD中的CHF膜组件所获得的数值和实验结果：(a)不同进料温度下的实验蒸汽通量。虚线表示通量增加的指数趋势，(b)进料流从入口（底部红色圆）到出口（顶部红色圆）的流线，(c)径向和轴向的速度分布，(d)和(e)轴向和径向的温度分布，以及(f)中空纤维表面温度。
4.3 传统膜组件在错流模式下运行的性能
从图4a中可以看出传统膜组件中的通量随温度的升高呈指数增长，且均低于CHF的通量。多尺度模拟（图4b和c）显示了在进料温度为40和70℃时传统膜组件的温度分布。模拟发现，在传统膜组件中，进料温度沿纤维长度方向急剧下降。这是由于膜表面和壳壁处存在较厚的传热边界层，导致热量传递受阻。虽然传统膜组件可以通过增加进料速度来缓解TP效应，但是需要更多的能量（泵提供的流体机械能）进行再循环。
图4 在DCMD中对传统膜组件进行测试得到的数值和实验结果:(a)在不同进料温度下得到的实验蒸汽通量。虚线表示通量增加的指数趋势，(b)在TF = 40℃和(c) TF = 70℃时的温度分布。
4.4 两种膜组件的能量损耗情况对比
将所有膜组件的通量进行归一化处理后（图5a），发现所有构型（传统膜组件、CHF错流模式和CHF局部加热模式）的通量都随着进料温度的升高而增加，但CHF在LH模式下始终具有最高的通量。
为了确认LH的通量增强不需要额外的能量输入，引入比能耗（SEC，考虑消耗的能量和产生的通量）概念以评估膜组件的性能（图5b）。对比发现CHF设计在所有温度下都具有比传统设计更低的SEC值，并且LH模式产生了SEC的最大降幅。这主要是因为TP效应被显著抵消、应用重力驱动流消除泵送功率（在LH模式下，进料不通过泵循坏，而是依靠重力驱动进入组件，从而降低了能耗）、管道传热到周围环境的散热减少。因此，LH模式与CHF设计相结合，可以最大限度地提高能量利用率，并显著降低DCMD的能量消耗（小编注：其实就是因为有个加热器，组件内部温度比较均匀，根本不需要外部流动来增强热量传递了）。
图5 比较(a)归一化实验通量和(b)归一化 SEC随进料温度的变化对传统膜组件和CHF在错流和LH模式下的影响。
5、总结与启发
本研究提出了一种新型CHF设计，可以减轻DCMD HF膜组件中的TP效应。CHF在局部加热模式下具有通量最高，能耗最低的优势，且其线性可扩展性使其成为DCMD规模化的实用和高效的候选膜组件。此外，CHF几何结构的优点是在不牺牲膜有效面积的情况下，产生紧凑的膜组件。
但是在扩大规模时，也需要考虑膜组件几何参数的修改，例如进料口的放置、装填密度等，以提高效率。此外，本研究中LH加热依赖于实验室规模的电加热，寻找替代LH加热源对CHF的可持续扩大尤为重要。
导师点评：其实就是对比了组件内部和外部加热哪个效率高，不用做模拟也知道呀，这个螺旋缠绕的优势好像也并没有证明。另外，离开了膜组件装填密度和加工成本谈传热效率，意义不大。
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