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在膜蒸馏（MD）过程中，石膏（CaSO??2H?O）结晶影响其效率和耐久性。研究人员利用计算流体动力学（CFD）研究闭环直接接触膜蒸馏（DCMD）中石膏结垢问题。结果显示 Gyroid 间隔物性能更优，该研究有助于优化 MD 技术在水处理中的应用。
在水资源处理领域，膜蒸馏（MD）技术本是一把解决水资源短缺问题的 “利器”，能将污水、海水等转化为可利用的淡水。然而，在实际应用过程中，MD 却遭遇了 “拦路虎”—— 石膏（CaSO??2H?O）结晶。这一问题就像水管里的水垢一样，会在膜蒸馏设备的关键部位不断积累，不仅降低了设备的运行效率，还大大缩短了设备的使用寿命，严重阻碍了 MD 技术在水处理领域的广泛应用。
为了攻克这一难题，来自 Khalifa University 的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果对于推动 MD 技术的发展、提升水资源处理效率具有重要意义，相关研究发表在《Desalination》上。
研究人员采用的主要关键技术方法有：利用计算流体动力学（CFD）进行模拟研究，构建了一个新颖的三维瞬态 CFD 模型。该模型将成核理论与颗粒群平衡方程相结合，能够从初始过饱和比（S）开始，详细分析结垢在膜和间隔物表面的生长动力学过程。
理论背景
研究人员深入探索了 DCMD 的综合建模方法，这其中涵盖了传输现象和结垢动力学。在传输现象方面，详细阐述了质量和热量通过膜孔以及在不同边界层间的传递机制。对于结垢动力学，基于颗粒群平衡方程提出了结垢模型，通过矩变换来描述晶体的成核与生长过程 ，为后续研究奠定了坚实的理论基础。
方法
在这部分，研究人员详细介绍了控制传输方程的公式推导过程，以及 CFD 模型的精心构建步骤。从基础方程的确定到模型的逐步搭建，每一个环节都经过了严谨的设计和验证，确保了研究结果的可靠性和准确性。
结果与讨论
研究人员对石膏结晶过程进行了全面细致的研究。从溶质开始积累，到结晶核的形成，再到晶体不断生长，每一个阶段都进行了深入分析。研究发现，浓度极化（CP）与结晶之间存在着复杂的相互作用，同时 CP 和温度极化（TP）之间也有着耦合效应。在对结垢形态的研究中，详细描述了结垢沉积物的结构特征。通过定量和定性分析，发现基于 Triply Periodic Minimal Surface（TPMS）的 Gyroid 间隔物在性能上明显优于商业间隔物。Gyroid 间隔物的初始通量比商业间隔物高出 63%，结垢起始时间延迟（800 分钟对比 240 分钟） ，结垢物质量密度也更低（0.4mg/cm2 对比 15mg/cm2 ）。这主要是因为 Gyroid 间隔物具有复杂的流动路径，能够增强微观混合，有效减轻极化效应。
结论与未来工作
该研究充分展示了 CFD 在预测石膏结垢和优化 DCMD 模块方面的关键作用。通过创新的间隔物设计，能够显著提升系统的性能和使用寿命。研究人员提出的新型三维瞬态 CFD 模型，可以精确评估石膏在闭环系统中膜和间隔物表面的结垢敏感性、起始时间和积累情况。该模型采用颗粒群平衡框架，考虑了表面颗粒的尺寸、形状和体积分布。未来的研究可以在此基础上，进一步优化间隔物设计，探索更多影响 MD 性能的因素，推动 MD 技术在水处理领域更广泛的应用。
这项研究的重要意义在于，为解决 MD 技术中石膏结垢这一难题提供了新的思路和方法。通过 CFD 模拟和新型间隔物设计，有望大幅提升 MD 设备的性能，降低运行成本，从而促进 MD 技术在海水淡化、污水处理等实际工程中的应用，为全球水资源短缺问题的解决贡献力量。
