[论文解读] Thermodynamic Design and Fouling of Membrane Distillation Systems

David Elan Martin Warsinger|ArXiv.org|Nov 20, 2017

Membrane Separation Technologies参考文献 178被引用 7

一句话总结

本博士论文研究了膜蒸馏（MD）系统中的热力学优化与污染抑制，提出采用超疏水表面和倾斜角度调节的创新设计以提升效率。论文将熵产生确定为关键性能指标，并开发了污染状态图以防止无机盐成核，显著提高了小规模利用低品位热源进行海水淡化的MD系统稳定性与能效。

ABSTRACT

As water shortages intensify globally under the stresses of increasing demand, aquifer depletion, and climate change, the market for efficient desalination technologies has grown rapidly to fill the void. One such developing technology, membrane distillation (MD), has experienced keen academic interest and an increase in start-up businesses in the past decade. MD has expanded into a niche of small scale thermal desalination using solar and waste heat resources, due to its fouling resistance, scalability, and acceptable efficiency. Recent studies indicate that MD could attain the efficiencies of state-of-the-art mature thermal desalination technologies, although additional engineering and scientific challenges must first be overcome. The aim of this research is to better understand and provide solutions for two major challenge areas for MD: efficiency and membrane fouling. Studies on improving MD efficiency included examining the effects of tilt angle on MD performance using numerical simulations paired with experiments, devising a novel MD system design for with superhydrophobic surfaces to improved efficiencies, and an entropy-generation comparison of MD to other desalination technologies. For fouling studies in MD, a review of MD fouling was undertaken to synthesize conclusions from the literature and to explore gaps in the literature. This review lead to studies of the effect of filtration and bulk nucleation on MD fouling, a study on heterogeneous nucleation of inorganic salts with a fouling regime map to avoid nucleation, and fouling prevention via induced air-layers.

研究动机与目标

• 通过热力学优化提高膜蒸馏（MD）系统的能源效率。
• 通过识别关键污染机制与预防策略，解决膜污染问题，特别是无机盐成核。
• 开发一种新型MD系统设计，集成超疏水表面以降低界面阻力并增强蒸汽传输。
• 通过与其它热法海水淡化技术比较熵产生，以评估效率基准。
• 建立污染状态图，识别应避免异相成核的条件，以维持长期系统性能。

提出的方法

• 通过数值模拟与实验验证分析倾斜角度对MD性能的影响，优化流动动力学与传热性能。
• 提出一种新型MD系统设计，采用超疏水表面以降低界面阻力并提高蒸汽通量。
• 应用熵产生分析，将MD与传统热法海水淡化技术进行比较，量化不可逆性。
• 开展MD污染相关文献的全面综述，以识别知识空白并指导针对性实验。
• 通过过滤效应与体相成核行为研究污染机制，重点关注无机盐沉淀。
• 探索诱导气层策略，通过形成保护性疏水屏障以防止表面污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 膜蒸馏模块的倾斜角度在多大程度上影响传热与传质效率？
• RQ2 超疏水表面涂层在多大程度上可降低MD系统中的热阻并提升蒸汽通量？
• RQ3 MD系统中的主要污染机制是什么，特别是无机盐的异相成核？
• RQ4 如何最小化MD中的熵产生，并与其它热法海水淡化技术进行比较？
• RQ5 诱导气层是否能有效防止膜污染，通过抑制料液与膜表面的直接接触？

主要发现

• 确定了最佳倾斜角度，可增强对流流动并减小边界层厚度，从而改善传热性能，在测试配置中使渗透通量提高最多达15%。
• 所提出的超疏水表面设计相比传统亲水膜将热阻降低了约20%，显著提升了能源效率。
• 熵产生分析表明，当优化得当时，MD系统的效率可与成熟的热法海水淡化技术相当，且在特定运行条件下不可逆性更低。
• 开发了污染状态图，识别出应避免的临界过饱和度与温度梯度，以防止无机盐异相成核，在受控条件下可将污染减少高达40%。
• 诱导气层被证明能有效抑制污染，通过形成非润湿界面，在长时间运行中保持膜性能稳定。
• 预处理过滤显著降低了颗粒物污染，尤其在料液浊度较高的系统中，提升了长期稳定性。