广东工业大学生态环境与资源学院李贤辉教授团队近期于Desalination期刊（2025, 595, 118315）发表题目为"Dissecting spacer induced membrane deformation and fluid hydraulic behavior in reverse osmosis"的文章。该文章第一作者为邓日宏，通讯作者为李贤辉教授。
【研究亮点】
利用有限元模拟方法，首次揭示了隔网对反渗透膜形变的影响规律。
隔网几何结构、膜形变与流体特性之间存在相关性。
调整隔网几何参数能够有效降低膜形变。
膜形变放大了隔网几何参数对膜面流态的影响。
【文章简介】
海水淡化是重要的淡水来源之一，反渗透技术是目前最可靠的海水和微咸水脱盐技术。由于该技术能极大程度地降低脱盐相关的成本，因此被广泛应用于生产淡水的过程中。然而，在反渗透过程中，反渗透膜受到巨大的压力，可能会发生变形，对流道内的流体特性产生影响。由于反渗透过程中的膜形变难以观察、测量及量化，目前尚无相关的文献报道关于膜形变的规律及其潜在机理。有限元分析是一种数值模拟方法，被广泛应用于结构、材料和流体力学等问题的模拟和分析，包括计算固体力学模拟及计算流体力学模拟。其中，计算固体力学可以模拟和分析材料的形变行为，获得反渗透膜的形变情况。计算流体力学则用于用于研究流体流动等问题，可以模拟流体在不同条件下的运动情况及与壁面的相互作用。
基于现有技术问题，本研究基于有限元分析方法，耦合计算固体力学与计算流体力学对膜形变现象进行模拟计算（图1），量化反渗透膜形变，分析隔网几何参数对其的影响机理，并将模拟结果用于分析不同几何参数的隔网在不同压力下对膜面流体特性的影响，从而阐明膜形变对流体特性和膜组件性能的影响机制。
图1. 膜形变现象的流固耦合示意图
本研究基于计算固体力学方法对反渗透膜形变进行数值模拟，深入研究隔网的几何参数和操作参数对膜形变的影响。模拟结果表明，膜形变的数值随着操作压力和隔网角度的增大而呈增加趋势，而随着隔网直径和隔网间距的增大则呈减小趋势（图2）。这是由于隔网与反渗透膜之间的挤压产生了接触应力，且膜形变随着接触应力的增大而加剧。当操作压力和隔网角度增大，或隔网直径和隔网间距减小时，接触应力显著增加，导致膜形变程度进一步加重。
图2. 在不同操作压力下，（a）隔网角度分别为30°、45°、60°，（b）隔网直径分别为200μm、250μm、300μm，（c）隔网间距分别为1000μm、2000μm、3000μm时，隔网几何参数对反渗透膜形变的影响
本研究基于计算流体力学对形变后流道中的流体特性进行了数值模拟研究，主要分析了膜面流速、膜面剪切应力和流道压降等参数（图3-5）。综合上述模拟结果可知，操作压力越大，膜面流体的各项特性（如流速、剪切应力和压降）均呈现数值增大的趋势。值得关注的是，随着膜形变量的增加，流速、剪切应力和压降等流体特性参数数值进一步提高，并且其分布不均匀程度增加，导致过滤能效降低。
图3. 在不同的操作压力下，隔网直径分别为（a）200μm、（b）250μm、（c）300μm时，反渗透膜形变对近膜面流速云图的影响
图4. 在不同的操作压力下，隔网直径分别为（a）200μm、（b）250μm、（c）300μm时，反渗透膜形变对膜面剪切应力云图的影响
图5. 在不同的操作压力下，（a）隔网角度分别为30°、45°、60°，（b）隔网直径分别为200μm、250μm、300μm，（c）隔网间距分别为1000μm、2000μm、3000μm时，反渗透膜形变对流道压降的影响
原文信息：
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.118315
第一作者：
邓日宏 博士研究生
邓日宏，广东工业大学在读博士研究生。研究方向为膜元件流体力学模拟研究
工作单位：广东工业大学生态环境与资源学院
邮箱地址：dengrihong5560@hotmail.com
通讯作者：
李贤辉 教授
李贤辉教授，国家优秀青年科学基金项目（海外）获得者，欧盟玛丽居里学者。主要研究方向包括新型膜材料及功能化设计，应用于成膜和膜分离过程的超声无损在线监测技术，膜分离传质过程中的流体力学模拟及膜组件优化。
工作单位：广东工业大学生态环境与资源学院
通讯邮箱：lixianhui@gdut.edu.cn
网址：
https://seer.gdut.edu.cn/info/1029/3079.htm
本期编辑：郑利兵（中国科学院生态环境研究中心）
排版编辑：胡佳颀
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