文献信息：Mansour A, Kumar RA,
Garudachari B, et al. Design and optimization of aunique pilot scale forward osmosis integrated
membrane distillation system for seawater desalination [J]. Journal of
Environmental Chemical Engineering, 2023, 11 (3), 109949.（点击文末阅读全文可直达）
1、研究背景
淡水资源短缺是全球性问题，海水淡化是解决淡水资源短缺的重要途径。传统淡化技术包括反渗透和蒸馏等，其易受污染且设备成本高。正渗透（FO）和膜蒸馏（MD）是两种新兴的水处理技术，具有抗污染、低能耗等特点，但单独使用均存在局限性：FO需要高效的汲取液（DS）回收系统，MD易受污染和结垢。因此开发新型海水淡化技术，以实现高效、低能耗、低成本的海水淡化是非常有必要的。
2、创新点
本文设计并搭建了首个中试规模的FO集成气隙式膜蒸馏（FO-AGMD）系统，并且使用阿拉伯湾海水作为进水，70000 ppm NaCl溶液作为汲取液，这是在实际应用场景下对FO-AGMD技术进行的首次尝试，为后续的工业化开发奠定基础。
3、实验设计
FO集成气隙式膜蒸馏系统由正渗透（FO）模块和气隙式膜蒸馏（AGMD）模块组成（图1），其中FO模块使用螺旋卷式FO膜，AGMD模块使用3个平行运行的AGMD单元。首先将阿拉伯湾海水作为原料液泵入FO模块，接着将70000ppmNaCl溶液作为汲取液（DS）泵入FO模块，水分子从海水侧透过FO膜进入汲取液侧后，浓缩海水排入浓水罐。经过FO稀释后的汲取液在AGMD模块中被浓缩，水蒸气透过膜并冷凝成淡水。经过AGMD浓缩的汲取液冷却后重新进入FO模块完成循环。本实验研究不同MD操作温度对系统的影响，监测FO和MD通量、进水和出水电导率、压降、逆盐通量（RSF）和能耗等参数，从而优化系统参数，提高系统性能。
图1 FO-AGMD系统的不同部件
4、实验结果
4.1 FO-MD性能参数分析
本研究评估了FO-AGMD系统在两种不同的MD操作温度（75℃和85℃）下，以阿拉伯海海水为进料水（FS）和70000ppmNaCl为汲取液（DS）时的性能。研究发现FO-MD系统的产水率随MD操作温度的升高而增加（图2）。FO进料侧的进水电导率始终低于出水电导率，这主要是由于海水被浓缩造成的，同时FO膜存在NaCl反向扩散从而也造成了海水出水侧电导率的提升；进料侧和汲取侧的电导率随时间略有变化，但总体保持稳定（图3，图4）。
图2 FO-MD工艺的水回收率
图3 较低MD操作温度下，FO进料和出料电导率随时间的变化
图4 较高MD操作温度下，FO进料和出料电导率随时间的变化
FO膜组件的压降在整个实验过程中保持稳定（图5），这表明FO膜性能良好。FO 通量在两种MD操作温度下均保持稳定（图6），在85℃略高于75℃，这是由于FO-MA的独特设计通过汲取液循环系统和去离子水添加系统可以有效维持FO膜两侧的渗透压差稳定。MD通量在两种MD操作温度下均保持稳定，但始终低于FO通量（图7），这表明MD膜性能良好，且FO-MD系统设计合理，能够实现稳定的产水率。FO膜的反向溶质通量（RSF）值随着MD操作温度的升高而增加（图8），这是由于在更高温度下需要添加更多汲取液以维持FO膜两侧的渗透压差（小编注：感觉应该是更高温度使得汲取液浓缩倍数高，浓度差增加导致的盐反向扩散吧？）。
图5 较高MD温度下FO压降随时间的波动
图6 较高MD温度下FO通量的影响
图7 较高MD温度下MD通量的影响
图8 MD温度对FO模块RSF的影响
4.2 FO-MD实验期间不同进水/产水的化学分析
本文对FO-AGMD系统中不同进水/产水的化学成分进行分析以评估系统的脱盐效率。研究发现FO进料水的电导率和总溶解固体（TDS）浓度随时间略有增加，表明FO膜存在反向扩散。FO汲取液的电导率和TDS浓度随时间略有降低，表明FO膜能够有效地从进料水中提取水分子，并稀释汲取液。MD进料水的电导率和TDS浓度随时间略有增加，表明MD膜能有效地从进料水中提取水蒸气并浓缩进料水。MD产水的电导率和TDS浓度极低，表明MD膜能有效地脱除进料水中的盐分，产生高纯度的淡水。
4.3 FO-MD系统的能耗
研究发现FO-AGMD系统的主要能耗是将稀释的汲取液加热至所需温度以在MD系统中实现有效再生所需的能量，其中MD段需要将进料水加热至85℃左右以进行蒸馏，并将产水冷却至10℃左右以循环利用（图9，图10）。通过优化MD段的设计和操作条件，可以进一步降低系统的能耗。
图9 FO-MD系统在4小时30分钟内将汲取液加热至80 ℃进行再生的能耗。
图10 FO-MD系统在4小时30分钟内将MD浓缩液冷却至约18–19 ℃以再循环至FO系统的能耗。
5、总结与启发
本文设计并测试了一种FO-AGMD中试系统，FO膜和MD膜的性能均能保持稳定，且FO-MD系统设计合理，能够实现稳定的脱盐效率和较低的能耗。其应用不仅限于海水淡化，还可以用于其他高盐度水体的处理，例如废水处理和盐湖资源利用。未来可以开发高性能、低成本的FO膜和MD膜材料，将FO-AGMD系统与可再生能源相结合，以进一步提高效率。
本研究使用的规模距离实际应用还有一定的距离，且本研究只进行4小时的实验，需要进一步评估FO-AGMD系统的长期性能。只使用NaCl溶液作为FO汲取液，是否还有其他溶液可以作为汲取液仍需要探索，比如高比渗透压溶液或者低水比活度溶液以进一步提高FO膜的脱盐效率。并且将此系统的经济性能比如成本核算与蒸馏、反渗透等过程做一个比较，更有助于理解其优越性。
导师点评：纯膜工艺的研究，其实挺有意思的，但是研究深度太浅，读者可能关心的还是成本和能耗，还有长时间运行的膜污染，如果能与反渗透膜系统做对比就完美了。
以上内容为个人阅读文献总结和学术见解，不代表本公众号和原文作者观点，如有错误，欢迎在留言区指出。
