[论文解读] A concise tutorial review of reverse osmosis and electrodialysis

P. M. Biesheuvel, S. Porada+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 46被引用 9

一句话总结

本教程综述提出了一套统一的理论框架，用于反渗透（RO）和电驱动膜分离（ED），表明其离子与水的传输机制均由相同的两相流体模型（TFM）所支配。研究证明，溶液摩擦（SF）模型能准确描述RO中的溶质与水通量，而TFM则解释了RO与ED中耦合的离子与水传输行为，包括具有反向通量的渗透实验，并通过能耗-成本权衡分析推导出最优操作条件。

ABSTRACT

Reverse osmosis (RO) and electrodialysis (ED) are the two most important membrane technologies for water desalination and treatment. Their modes of operation and transport mechanisms are very different, but on a closer look also have many similarities. In this concise version of our tutorial review, we describe state-of-the-art theory for both processes, focusing on simple examples that are helpful for the non-specialist and useful for classroom teaching. Both processes are described by solution-friction (SF) theory which combines ion and water transport across membranes with chemical and mechanical equilibrium at membrane/solution interfaces. We present a derivation of SF theory based on force balances on water and ions and show how the various terms, convection, diffusion, and electromigration, are derived, and how solute partitioning is implemented. Finally, we demonstrate how SF theory accurately describes the osmosis experiment where water and ions are transported in opposite directions across a membrane.

研究动机与目标

• 通过证明尽管物理机制不同，反渗透（RO）与电驱动膜分离（ED）共享相同的传输原理，统一其理论理解。
• 确立溶液摩擦（SF）模型作为经典溶液-扩散模型在中性溶质RO中的更准确、更全面的替代方案。
• 将理论扩展至带电膜与对称盐溶液体系，整合离子分配、扩散与浓度极化效应。
• 应用两相流体模型（TFM）描述RO与ED中耦合的离子与水传输行为，包括反向通量渗透实验。
• 通过能耗-成本权衡分析优化模块尺度性能，并利用三维错流建模评估ED中浓度极化的影响。

提出的方法

• 推导RO中的溶液摩擦（SF）模型，结合对流、扩散与溶质分配，以预测穿过中性膜的水通量与溶质通量。
• 将SF模型应用于中性溶质RO系统，包括扩散边界层（浓度极化）的影响，并推导出溶质截留率的解析表达式。
• 通过引入Donnan平衡与膜电荷效应，将SF模型扩展至带电膜上的对称盐溶液体系。
• 提出两相流体模型（TFM）作为RO与ED中离子与水传输的统一框架，考虑静电势、压力梯度与化学势梯度。
• 对RO与ED进行二维模块尺度仿真，推导出表征最优操作条件的特征曲线，基于能耗与材料成本最小化原则。
• 利用ED模块中错流流动的三维建模，评估浓度极化对性能与效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管驱动力不同（压力 vs. 电场），反渗透（RO）与电驱动膜分离（ED）的传输机制有何异同？
• RQ2 溶液摩擦（SF）模型在预测RO中溶质截留率与水通量方面，相较于经典溶液-扩散模型有多大改进？
• RQ3 在对称盐溶液条件下，膜电荷与离子分配如何影响RO与ED中离子与水的传输行为？
• RQ4 两相流体模型（TFM）能否一致地描述RO与ED中耦合的离子与水传输，包括反向通量渗透实验？
• RQ5 在平衡能耗与材料成本的前提下，RO与ED模块的最优操作条件是什么？这些条件如何依赖于膜的特性？

主要发现

• 溶液摩擦（SF）模型相较于经典溶液-扩散模型，能更准确、更符合物理实际地描述RO中水通量与溶质通量，尤其在考虑浓度极化时表现更优。
• SF模型可导出依赖于溶质分配系数、摩擦系数与扩散系数的溶质截留率解析表达式，从而实现对不同进料条件下性能的定量预测。
• 两相流体模型（TFM）成功描述了RO与ED中耦合的离子与水传输行为，包括水与离子反向运动的情形，验证了其普适性。
• TFM能有效考虑膜电荷、Donnan电势与压力梯度等关键效应，并准确预测膜系统中的实验渗透通量。
• 优化研究表明，‘低成本膜’可通过更低的传质阻力实现更高的能量效率，这一反直觉结果由模型中的能耗-成本平衡关系得以解释。
• 三维错流ED模块建模结果证实，浓度极化显著影响系统性能，尤其在高回收率操作中，必须在系统设计中予以考虑。