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近日，我院楊志峰院士團隊王樟新教授課題組提出了一種新型的産水加壓膜蒸餾操作模式（PDMD），通過産水側的壓力，有效地緩解了膜潤濕的問題。此外，團隊還提出了一種基于阻抗的液體進入壓力測量方法，保障了該操作模式的順利運行。該論文發表在ACS ES&T Engineering上，我院博士研究生馮德俊為文章的第一作者，我院陳袁妙梁博士、王樟新教授為共同通訊作者。

作為一種新興的熱法脫鹽技術，膜蒸餾（MD）在廢水處理領域受到越來越多的關注。在典型的膜蒸餾系統中，微孔疏水膜是實現膜蒸餾過程最重要的部分，其不僅為水蒸氣通過提供氣隙通道，還能攔截水中的非揮發性污染物。在膜蒸餾分離過程中，膜兩側的溫度差會使熱水側的水蒸氣分壓更高，熱水側較高的蒸汽壓驅動水蒸氣通過膜孔到達冷水側，而進料中的鹽離子和非揮發物質由于無法通過膜孔，被疏水膜截留在熱水側濃縮，理論上膜蒸餾過程脫鹽率接近100%。膜蒸餾的優勢也比較突出，其基本不受鹽水濃度的限制，能利用低品位熱能（如：工業廢熱和地熱能）。此外，鑒于膜蒸餾較小的占地面積和出色的淨化能力，有望應用于偏遠地區的離網廢水淨化。

在膜蒸餾的實際應用中，微孔疏水膜面臨着巨大難題——膜潤濕。膜潤濕是由于廢水中的兩性污染物降低了廢水的表面張力，緻使膜孔的液體進入壓力（LEP）大幅下降，導緻進料廢水能夠直接透過疏水膜進入到清水側而使膜分離過程失效。因此，LEP是決定是否會發生膜潤濕的關鍵參數，一旦跨膜壓差（∆P）超過膜與進料溶液的 LEP，就會發生膜潤濕。

為了解決膜潤濕的問題，我院王樟新教授課題組提出了一種産水加壓膜蒸餾（PDMD）的新型抗潤濕策略，并開發了一種基于阻抗的 LEP 測量方法來輔助實現這一策略。傳統的LEP測量方法存在局限性，我們提出了借助阻抗測量技術實現了所有液體的LEP測量，并驗證了其有效性。此外，我們根據膜潤濕的機理以及測量得到的LEP準确值，驗證了産水加壓膜蒸餾（PDMD）抵抗膜潤濕的有效性。總而言之，我們的研究為膜蒸餾實際應用提供了一種簡單有效的抗潤濕策略。

圖1.（A）基于阻抗的LEP測試裝置示意圖；（B）加壓膜蒸餾（PDMD）裝置示意圖。

為了驗證基于阻抗的LEP測量方法的可行性，我們把該方法與傳統LEP測量方法進行對比。如圖二，我們發現傳統方法和基于阻抗的方法測量出來的LEP數值是基本一緻的，這驗證了基于阻抗的LEP測量方法是有效的。其工作原理如圖2E 所示，在LEP值為正向的情況下，利用氮氣在反方向施加壓力。當施加的壓力超過LEP時，乙醇溶液穿透膜孔，降低空氣含量，從而降低膜阻抗。同樣在LEP值為負向的情況下，借助氮氣在反方向施加壓力，可以防止乙醇溶液滲透到膜孔中。一旦施加的壓力低于 LEP 的絕對值(即LEP低于施加的壓力) ，乙醇溶液就會進入膜孔，由于空氣含量降低導緻膜阻抗下降。因此，通過監測膜阻抗在不同外加壓力下的變化，基于阻抗的LEP測量方法可以準确測量低表面張力液體膜的 LEP值。

圖2. 阻抗的LEP測量方法與傳統LEP測量方法的對比。

然而，目前對于緩慢潤濕的低表面張力液體（如：SDS溶液），傳統的LEP測量方法無法準确測量（圖3）。對于傳統方法來說，LEP是在短時間内測量的宏觀特征，因此它可以測量膜與低表面張力液體的LEP。與此相反，由于SDS誘導的潤濕過程緩慢，潤濕在短時間内發生的微妙變化過于微觀，而傳統方法無法捕捉。因此，傳統的 LEP 測量方法無法測量緩慢潤濕的低表面張力液體的疏水性膜的LEP。

圖3. SDS溶液的LEP測量以及傳統LEP測量方法的局限性。

SDS溶液基于阻抗的LEP測試結果與傳統方法截然不同，可以發現在低濃度時，SDS溶液的LEP呈正向；提高濃度時，SDS溶液的LEP呈負向，與無跨膜壓力的膜蒸餾實驗結果一緻。借助阻抗測試的結果，我們能夠持續監測膜孔中空氣含量的微妙變化。當 LEP 為正壓時，SDS溶液無法滲入膜孔，膜孔内的空氣含量保持穩定，因此膜阻抗不變。相反，在負壓下，SDS溶液會自發進入膜孔，導緻膜内空氣含量減少，阻抗下降。因此，在測量LEP值時，SDS溶液滲透到膜中引起的空氣含量的緩慢變化也可以通過阻抗法檢測到。因此，基于阻抗的方法可以精确測量SDS溶液的疏水膜的LEP。

圖4. 基于阻抗的LEP測量技術測量SDS溶液

根據SDS溶液的LEP測試結果，可以發現當使用高于LEP值的跨膜壓力時，滲透側的電導率值明顯提高，表明發生了膜潤濕；當使用低于LEP值的跨膜壓力時，膜蒸餾則能穩定運行，未發現膜潤濕。上述結果證實了在基于阻抗的LEP測量方法的輔助下，PDMD能夠有效抵抗膜潤濕。PDMD對潤濕緩解的有效性可以用過MD中的潤濕标準來解釋，即一旦LEP低于ΔP，膜潤濕就會發生。相反，當調控膜兩側壓力，即使ΔP低于LEP時，可以有效避免膜潤濕的發生。

圖5. SDS溶液的加壓膜蒸餾抗潤濕實驗。

在本研究中，我們提出了PDMD的抗潤濕操作策略。為了保障PDMD的運行，我們開發了一種基于阻抗的LEP測試方法，可以測量膜與各種溶液的LEP。基于阻抗的LEP測試方法優于傳統方法，在于它能捕捉到緩慢潤濕過程中膜孔内空氣含量的微觀變化。根據準确的LEP值，我們通過PDMD調控ΔP低于膜與進料溶液的LEP時，可以成功避免各種潤濕劑（如SDS 和乙醇）引起的膜潤濕。