利用机器学习方法预测基于陶瓷膜的直接接触膜蒸馏过程的渗透通量

《Desalination》：Prediction of permeate flux of ceramic membrane-based direct contact membrane distillation process utilizing machine learning approaches

海水淡化及工业废水的高压力反渗透（HPRO）技术应用与挑战综述，提出HPRO通过提高水回收率、减少盐液排放及实现资源回收，可缓解环境问题，并指出膜污染、工艺优化等关键挑战及纳米过滤预处理等解决方案。

　　随着全球人口增长、工业扩张以及气候变化的加剧，淡水资源的需求正在迅速上升。然而，传统的淡水资源日益紧张，促使人们转向非传统水源，如咸水和苦咸水的淡化。尽管淡化技术为缓解水资源短缺提供了重要解决方案，但其产生的盐水（brine）体积几乎达到淡水产出量的两倍，带来了严重的环境问题。盐水中的高盐度和化学物质浓度对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。因此，如何有效处理盐水成为当前水处理领域的重要课题。

高压力反渗透（High Pressure Reverse Osmosis, HPRO）作为一种新兴且具有前景的技术，正逐渐成为解决这些问题的关键策略。HPRO不仅能够提高水的回收率，还能减少盐水排放，从而降低对环境的影响。反渗透技术在废水处理和海水淡化中广泛应用，而HPRO则进一步提升了其处理能力，特别是在处理高浓度盐水方面表现突出。与传统的反渗透技术相比，HPRO在更高的压力下运行，使得其能够处理更复杂的废水，例如海水淡化产生的盐水，以及工业废水、垃圾渗滤液等。

目前，HPRO技术已在多个领域展现出其独特的价值。在海水淡化方面，HPRO能够将盐水浓缩至130–170克/升的总溶解固体（TDS）含量，为后续的资源回收和再利用提供了可能性。在垃圾渗滤液处理方面，HPRO则被用于减少盐水体积，提高处理效率。此外，工业废水中的高盐度和有害物质含量也使HPRO成为一种有效的处理手段。随着全球对高盐度废水处理的关注度不断提升，HPRO技术的应用也日益广泛。

尽管HPRO技术在理论上具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一系列挑战。其中，膜压实、浓度极化、膜结垢和生物污染是影响HPRO性能的主要因素。膜压实通常发生在高压力下，导致膜结构受损，降低其透水性。浓度极化则由于溶质在膜表面的积累，使得膜的渗透压增加，从而影响处理效率。膜结垢是指盐分和其他溶解物质在膜表面沉积，形成堵塞，降低膜的使用寿命。生物污染则源于微生物在膜表面的生长，形成生物膜，进一步影响膜的性能。

为了解决这些挑战，研究人员提出了多种创新的应对策略。例如，纳米过滤预处理技术可以有效去除二价离子，从而减少膜结垢的发生。此外，通过优化膜材料和模块设计，可以提高膜的耐压性和抗污染能力。同时，结合先进的模拟和建模技术，研究人员能够更好地预测和优化HPRO过程，提高其能效和经济可行性。这些技术的进步为HPRO从实验室研究向实际应用的过渡提供了坚实的基础。

近年来，随着HPRO技术的不断发展，相关研究的文献数量也显著增加。图1展示了自1995年以来关于HPRO研究的论文数量变化趋势。早期的研究主要集中在盘管式反渗透技术在垃圾渗滤液处理中的应用。然而，自2018年起，关于HPRO在海水淡化盐水处理和资源回收方面的研究开始兴起，并且呈现出持续增长的趋势。特别是在2020年至2025年间，HPRO相关研究的论文数量迅速上升，反映出全球范围内对这一技术的广泛关注和认可。

目前，HPRO技术在工业废水处理中的应用也逐渐增多。例如，石油和天然气行业、纺织行业、制药行业以及乳制品加工行业等都产生了高盐度的废水，这些废水通常含有重金属，如砷、铬、汞、镍和锑。处理这些废水不仅需要高效的处理技术，还需要考虑其对环境的影响。HPRO技术能够有效处理这些高盐度废水，同时减少对环境的负担。通过合理的工艺设计和操作参数调整，HPRO能够在较低的能耗下实现高效的处理效果。

在实际应用中，HPRO技术还面临着一些技术和经济上的挑战。例如，一些技术如电渗析（ED）或电渗析逆流（EDR）在处理高盐度废水时，其能耗随着进水盐度的增加而显著上升。因此，如何在保证处理效果的同时降低能耗成为当前研究的重点。此外，HPRO技术的经济可行性也受到诸多因素的影响，包括设备成本、运行成本以及维护成本等。通过优化工艺设计和模块结构，研究人员能够提高HPRO的经济可行性，使其更适用于大规模的废水处理。

未来，HPRO技术的发展方向主要包括长期的现场试验、生命周期评估、膜污染机制研究以及高效模块的工程设计。长期的现场试验能够验证HPRO技术在实际环境中的稳定性和可靠性。生命周期评估则能够全面评估HPRO技术在整个生命周期内的环境影响和经济成本。膜污染机制研究有助于理解膜污染的发生过程，从而提出更有效的预防和治理措施。高效模块的工程设计则能够提高HPRO的处理效率和稳定性，使其更适用于复杂和高盐度的废水处理。

综上所述，HPRO技术在处理高盐度和复杂废水方面展现出巨大的潜力。通过不断的技术创新和研究进展，HPRO有望从一个具有前景的概念发展为成熟的水处理技术。这不仅有助于解决水资源短缺问题，还能够推动相关行业的可持续发展。未来，随着研究的深入和技术的完善，HPRO技术将在全球范围内发挥更大的作用，为环境保护和水资源管理提供更加高效的解决方案。