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为解决反渗透（RO）膜元件中进料间隔层在抑制浓差极化、降低压降和抗污染性能方面的问题，研究人员通过计算流体力学（CFD）模拟优化其长丝形状与排列。发现减小流道代表性面积等可改善性能，X/V 形交叉等结构降低污染风险，为 RO 元件应用提供指导。
论文解读
在水资源短缺与水处理需求日益增长的背景下，反渗透（Reverse Osmosis, RO）技术作为高效膜分离手段，广泛应用于海水淡化、工业纯水制备等领域。然而，RO 膜元件中进料间隔层（Feed Spacer）的性能瓶颈逐渐凸显：传统结构易引发浓差极化（Concentration Polarization），导致盐分截留率下降与能耗增加；流道设计不合理会显著提升流体压降（Pressure Drop），加剧膜表面污染（Fouling），包括生物膜附着与无机盐结垢等问题，严重影响系统长期运行效率与稳定性。因此，如何通过结构优化平衡浓差极化抑制、压降降低与抗污染能力提升，成为 RO 技术升级的关键科学问题。
为攻克上述难题，日本研究人员开展了进料间隔层结构优化的系统性研究，相关成果发表于《Desalination》。该团队聚焦进料间隔层中长丝（Filament）的几何形态与空间排列，通过多维度仿真与实验验证，揭示了结构参数对 RO 元件综合性能的影响机制，为高性能膜组件设计提供了突破性解决方案。
研究技术方法
研究主要采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真技术，借助 Simcenter STAR-CCM+ ver.13.06.012 软件构建三维流道模型。通过 “智能设计探索”（Intelligent Design Exploration）插件与 SHERPA 搜索算法，对长丝形状（如椭圆长短轴 C、D，倾斜角 E）与排列参数（如流向半间距 A、垂直流向间距 F）进行多目标优化。同时，结合粒子粘附仿真模拟污染物在膜表面与间隔层表面的附着行为，评估不同交叉结构（如 X 形、V 形、球形）的抗污染性能。
研究结果
长丝形状与排列对压降和浓差极化的优化
通过 CFD 仿真发现，减小进料流道的代表性面积、扩大长丝与膜表面的流道间隙，以及设置合适的长丝间距（Pitch），可有效降低流体压降并抑制浓差极化。当错流速度提升时，优化后的结构仍能维持二者的平衡，突破了传统设计中压降与浓差极化的此消彼长关系。
交叉结构对污染风险的影响
X 形或 V 形交叉结构可维持交叉点附近较低的底物浓度，显著降低生物污染与结垢风险。粒子粘附仿真表明，V 形交叉更利于减少膜表面污染物附着，而流向间距较大的球形交叉结构则对降低间隔层表面粘附效果更佳。
结构参数的定量设计准则
研究提出了具体设计阈值：满足 Lp＞0、0.50≤(Lp+Lr)/H≤0.67、20≤倾斜角 E（度）等条件时，进料间隔层可实现综合性能优化。其中，Lp、Lr为特征点间距，H 为流道高度，上述参数与流道几何形态直接相关。
研究结论与意义
本研究通过跨尺度仿真与结构优化，建立了进料间隔层的多目标设计框架，揭示了长丝形态、排列方式与交叉结构对 RO 元件性能的调控机制。核心结论表明，针对性调整结构参数可协同提升浓差极化抑制、压降降低与抗污染能力，且需根据进水水质与运行条件进行精细化适配。该成果不仅为螺旋卷式 RO 元件的国产化设计提供了关键理论依据，也为高盐废水处理、能源高效利用等领域的膜技术革新开辟了新路径。未来研究可进一步结合新型材料开发，探索动态自适应间隔层结构，推动 RO 技术向低能耗、高耐久性方向发展。
