编辑推荐：
随着可再生能源融入反渗透（RO）海水淡化系统，其面临波动工况挑战。研究人员利用偏微分方程（PDE）模型开展 RO 在周期性振荡条件下的研究。结果表明正弦和整流正弦变化各有特性，且稳态操作更节能。该研究为设计高效 RO 系统提供依据。
在全球淡水资源日益紧张的当下，反渗透海水淡化（SWRO）成为缓解水资源短缺的重要手段。传统 RO 系统通常为稳态运行设计，但随着可再生能源如波浪、太阳能和风能的广泛应用，RO 系统不得不面临波动的运行条件。以波浪能为例，它虽然能量密度高、供应相对稳定，且靠近海水，适合偏远沿海地区的分散式海水淡化，然而其产生的快速压力和流量波动，与 RO 系统优化的稳态运行条件相差甚远。这些波动对膜性能、能源效率和系统长期可行性产生了诸多未知影响，现有研究对此尚未有清晰定论。同时，现有模型在理解振荡条件下膜的响应时，往往忽略了关键的时空模式。在此背景下，开展相关研究以深入了解 RO 系统在波动条件下的运行特性显得尤为迫切。
为解决这些问题，研究人员利用偏微分方程（PDE）模型，对 RO 在周期性振荡条件下的时空动力学和性能展开研究。研究结果对于优化 RO 系统设计、提高能源利用效率以及保障系统长期稳定运行具有重要意义，相关成果发表在《Desalination》上。
研究人员运用的主要关键技术方法包括：构建基于质量平衡的 PDE 模型，该模型包含水、盐和动量在进料通道中的质量平衡方程，并基于一系列假设和简化得到无量纲形式；利用 COMSOL Multiphysics 软件的 Coefficient Form PDE 模块求解模型，通过设置合适的边界条件和参数进行模拟；参考已有实验数据进行模型验证，确保研究结果的可靠性 。
研究结果
- 正弦进料条件下的 RO 性能
通过设定正弦变化的进料流量和压力，研究发现系统在两到三个周期内就能达到循环稳态（CSS）。关键过程变量在时间上呈近似正弦变化，在空间上遵循稳态行为趋势。例如，进料通道中的流量沿程下降，质量传递系数和水通量也随之降低，盐浓度增加时盐传输加剧。而且，浓度极化因子（CPF）在正弦进料条件下保持良好的界限。随着振荡频率增加，轴向盐混合增强，进料通道内盐浓度和跨膜盐传输的时间振幅变化减小，渗透物浓度波动减弱。通过对不同振荡周期的模拟以及与稳态操作的对比，发现正弦变化的进料条件下，周期平均性能指标与等效平均条件下的稳态操作相近。
- 整流正弦进料条件下的 RO 性能
分析整流正弦变化的进料流量和压力时发现，其关键过程变量同样呈现周期性振荡，但压力和流量变化范围更广。模拟中出现了瞬态负渗透流量和水通量，此时 RO 过程会转变为压力延迟渗透（PRO）。尽管实验中未明确观察到这一现象，但模型预测整流正弦进料条件下的周期平均渗透流量高于稳态操作，周期平均盐通量与稳态相近，导致渗透物浓度略低于稳态。研究还发现，整流正弦进料时较高的 “表观” 产水量，是因为更多比例的进料在高于平均压力下处理 。
- 周期性振荡条件对特定能耗（SEC）的影响
研究表明，更高的通量并不一定意味着更高的能源效率。通过计算不同操作条件下的平均功率输入，发现稳态操作的能源效率最高，正弦进料操作稍差，整流正弦进料条件下的 SEC 最高。即便假设盐水能量可完全回收，这一结论依然成立。不过，整流正弦操作在低回收率下，与现代 SWRO 工厂相比，仍可能具有竞争力。
研究结论与讨论
该研究通过 PDE 模型深入探究了 RO 海水淡化在周期性振荡条件下的性能。结果显示，在保持平均压力和流量的情况下，正弦变化的周期平均性能与稳态操作相似，增加振荡频率可降低渗透物浓度波动，整流正弦变化能提高整体渗透物产量 。然而，膜的完整性和能源效率仍是关键问题。未来研究可聚焦于整流正弦条件下 RO 和 PRO 条件快速切换与膜降解速率的关系，以及膜传输特性的动态变化等。此外，开发实时控制策略以优化波动条件下波浪能驱动的 RO 性能也是重要方向。这些研究将进一步推动可再生能源与海水淡化的融合，为沿海和偏远社区实现可持续、高效的水生产奠定基础。
