揭秘间歇式反渗透：特定通量下能耗的参数优化与研究突破

随着水资源问题日益严峻，反渗透海水淡化备受关注。研究人员针对间歇式反渗透（Batch RO）开展研究，探究不同参数对其能量性能和产水流量的影响。结果表明初始进料罐水量不影响比能耗（SEC）等。该研究为 Batch RO 系统设计提供依据，助力水资源高效利用。

　　在当今世界，水资源短缺已成为一个紧迫的全球性问题。气候的变化、水资源的不合理使用、严重的污染以及不断增长的用水需求，让获取清洁的淡水变得越来越困难。海水淡化技术，尤其是反渗透（Reverse Osmosis，RO）技术，成为了众多国家解决淡水供应问题的重要希望。然而，传统的反渗透技术存在诸多弊端，比如能耗高、成本高昂、膜污染严重等，这些问题限制了其大规模的应用。在这样的背景下，间歇式反渗透（Batch RO）作为一种具有潜力的替代方案，逐渐进入了研究人员的视野。

为了深入探究间歇式反渗透的性能，研究人员开展了一系列研究。虽然之前有不少关于 Batch RO 的研究，但仍存在许多空白，尤其是在特定压力曲线下的情况。此次研究的目的就是填补这些空白，深入分析在时间依赖压力下实现恒定渗透通量时，不同参数对 Batch RO 的能量性能和生产流量的影响。

研究人员通过建立分析表达式和数值模拟算法，对 Batch RO 过程进行了全面研究。在研究过程中，他们使用了多种关键技术方法。首先，基于已有的研究成果，构建了 Batch RO 的数学模型，并运用 Julia 编程语言编写了数值求解器。在求解过程中，采用了 Runge - Kutta 四阶方法来处理微分方程，以确保计算的稳定性和高精度。同时，通过理论推导，得出了比能耗（SEC）的解析表达式，并在此基础上推导出了最优净驱动压力（NDP）的表达式。

下面来看看具体的研究结果：

• 案例研究过程变量演化：以目标回收率 50% 为例进行模拟，结果显示随着时间推移，泵压和渗透压同步上升，以维持固定的 NDP，从而保证渗透通量恒定。进料流量稳定在 15 LMH，回收率呈线性增长，4.5 小时达到 50%。同时，进料罐和渗透罐中的盐浓度都有所增加，但渗透罐出口浓度和平均浓度在 50% 回收率时仍低于 500 mg/L，符合水质标准。而 SEC 随着回收率的提高而增加，如 40% 和 50% 回收率时，SEC 分别为 4.12 和 4.32 kWh/m³。
• 模型与 SEC 解析表达式对比：将算法得到的 SEC 结果与解析表达式进行对比发现，在回收率低于 60% 的情况下，两者的最大误差在 0.05% - 0.45% 之间。高盐度和高 NDP 时误差较大，低盐度和低 NDP 时误差较小。这表明解析表达式可用于估算 Batch RO 过程的 SEC，为设计人员提供了便利的工具。
• 参数对 SEC 的影响：研究发现，进料初始体积对 SEC 没有影响，这一结果为操作人员和设计人员在水箱设备选择和布置上提供了更大的灵活性。初始进料盐度对 SEC 有直接且强烈的影响，在固定回收率下，SEC 与初始盐度呈线性相关，回收率越高，斜率越大。NDP 对过程能耗的影响较为复杂，存在一个最优 NDP，此时 SEC 最低，这为设计人员选择合适的 NDP 提供了重要依据。
• 最优 NDP：模拟显示，在最优 NDP 下运行 Batch RO 过程，能耗更低。并且，随着进料浓度和回收率的增加，最优 NDP 和最小 SEC 也随之增加。相关模拟结果绘制的图表可作为设计参考，帮助选择合适的 NDP。

在研究结论和讨论部分，研究人员证实了 Batch RO 的能量响应与进料初始体积无关；进料初始浓度和回收率越高，SEC 越高；存在最优 NDP 可使 SEC 最低，在 35 g/L 盐度和 50% 回收率下，使用最优 NDP（26.6 bar）比初始选择的 7.5 bar，SEC 从 4.35 kWh/m³降至 3.4 kWh/m³。这一系列发现为 Batch RO 系统的设计和优化提供了关键理论依据，有助于提高海水淡化过程的能源效率，推动水资源的可持续利用。不过，该研究也存在一定的局限性，例如未考虑浓差极化现象，冲洗进料罐和水箱排空再填充的停机时间等因素对 Batch RO 过程的影响。未来的研究可以针对这些方面展开，进一步完善对 Batch RO 过程的理解和应用。此次研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》，为该领域的研究提供了重要的参考，有望推动海水淡化技术朝着更高效、更节能的方向发展。