正渗透在零/低流速条件下的新型建模框架：突破传统ECP限制及与反渗透的本质差异

本文针对正渗透（FO）系统在低流速或零流速条件下传统外部浓差极化（ECP）模型预测失准的问题，提出了一种引入渐近舍伍德数（asymptotic Sherwood number）的修正模型，整合分子扩散与自然对流机制，实现了从零流速（Re→0）到低流速（0–10 cm/s）跨流条件下的精准通量预测。该模型通过无 spacer 系统和商用模块实验验证，表明质量传递参数（Sh∞, a, b, c, d）与膜特性参数（A, S）影响相当，为便携式、低能耗FO系统设计提供了关键理论支撑。

　　

Highlight

当前ECP模型的局限性描述

在如正渗透（FO）的渗透驱动膜分离系统中，外部浓差极化（ECP）通常表现为水通量的指数函数。在FO系统中，ECP可根据活性层朝向进料液（AL-FS）或朝向汲取液（AL-DS）的构型分别表述为以下方程（Park et al., 2020b）：

π_F,m/π_F,b = exp(J_w/k) （反渗透（RO）过程，及FO过程中的AL-FS模式）

π_D,m/π_D,b = exp(–J_w/k) （FO过程中的AL-DS模式）

其中π代表渗透压，J_w是水通量，k是传质系数，下标m和b分别指膜界面和本体溶液。

低及零跨流流速下的水盐通量

图4展示了在低和零跨流流速下获得的实验和模拟结果，评估了膜流道中放置不同数量spacer（0、4和8个）的三种条件。如图4a和4b所示，水通量随跨流流速和spacer数量的增加而增加。先前的研究表明，较高的跨流流速可减轻浓差极化，从而提高水通量（Bui et al., 2015; Qing et al., 2020）。

结论

本研究开发了一种修正的ECP模型，用于精准预测在低和零跨流流速下运行的正渗透（FO）系统中的传质系数。该模型通过采用一个基于物理学的框架，解决了传统方法的局限性，该框架在无主动混合的情况下同时考虑了分子扩散和自然对流，从而使得即使雷诺数趋近于零时也能进行精确的通量估算。对照实验数据的验证证实了该模型的有效性。