地热咸水膜蒸馏过程中流动与膜污染的多视角可视化研究及其传热传质特性分析

《Journal of Membrane Science》：Multi-perspective visualization of flow and membrane fouling in membrane distillation in geothermal brackish water

本文通过粒子图像测速（PIV）、红外测温与化学比色法等多视角可视化技术，揭示了地热咸水膜蒸馏（MD）过程中膜表面状态与模块内流动的相互作用机制。研究发现MgSO4和高浓度Mg2+直接影响钙垢形成，十字形 spacer 设计可增强传质并引发流动紊乱以减少污染物沉积。研究为膜组件结构优化、流道设计及抗垢策略提供了关键流体力学与热力学依据。

　　

Highlight

实验装置与设备

实验装置如图1a所示，包含膜蒸馏（MD）系统和粒子图像测速（PIV）系统。MD系统由加热循环、制冷循环和膜组件（AC Sepa Cell，Sterlitech公司）组成（图1b-d）。板式MD的有效膜面积为140 cm²，流道深度1.9 mm、宽度95.3 mm。预热后的热进料和馏出物通过冷水机（HS-BCW400，宏盛）冷却。

温度分布

操作参数通过影响温度分布进而调控传热传质。图3所示温度数据通过MATLAB处理红外热成像获得。尽管渗透侧流速不同（泵速分别为35 rpm和95 rpm），案例1和案例2的温度分布相似：模块中部温度较低，而进出口附近温度较高，这揭示了流动结构对温度极化的显著影响。

结论

本研究聚焦中国胶东地区地热咸水的膜蒸馏过程，通过多视角可视化揭示了模块内膜表面状态、流动与传热传质的多重相互作用。结果验证了膜表面状态与流动的关联，阐明了示踪颗粒的独特污染机制与沉积行为，为优化地热咸水膜蒸馏工艺开辟了新途径。