基于浓缩液pH实时监测的早期CaCO3结垢检测技术及其在反渗透膜稳定运行中的应用

本研究针对内陆膜脱盐过程中难溶盐(如CaCO3)结垢导致回收率降低的难题，通过实验室和中试级螺旋缠绕式RO(反渗透)膜元件，首次证实浓缩液pH可作为早期结垢指示参数，比传统渗透率监测提前预警，并实现通过正向冲洗溶解已形成的CaCO3沉积物，为无阻垢剂稳定运行提供新策略。

　　

【研究背景】
在应对全球水资源短缺的挑战中，反渗透(RO)和纳滤(NF)技术已成为内陆地区从淡水、微咸水甚至处理废水等非常规水源获取饮用水或工业用水的核心手段。然而这些技术面临一个"阿喀琉斯之踵"——膜表面难溶盐(如CaCO₃、CaSO₄)结垢会形成致密矿物层，不仅降低膜通量、增加能耗，还会缩短膜寿命。传统解决方案主要依赖阻垢剂(antiscalant)的投加，但这些合成有机聚电解质不仅增加运行成本，还可能引发环境与健康风险。更棘手的是，现有结垢检测方法多局限于实验室平板膜和合成水样的复杂监测技术，难以转化到工业级螺旋缠绕式膜元件应用场景。

【研究开展】
由M. Futterlieb和S. Panglisch领衔的研究团队，在德国联邦教研部(BMBF)资助的KonTriSol和MAMDIWAS项目支持下，创新性地采用真实水样（德国杜伊斯堡北部饮用水）和工业级螺旋缠绕RO膜元件，通过监测浓缩液pH等常规参数，建立了实用的早期CaCO₃结垢预警系统。研究使用PhreeqC软件计算方解石饱和指数(SI_Calcite)，结合渗透率、电导率(EC)、浊度等多参数实时监测，并在2.5英寸中试装置上进行了长达两个月的稳定性验证。

【关键技术】

1. 采用真实水基质连续流实验系统模拟工业条件
2. 多参数同步监测（pH、EC、浊度、渗透率、盐截留率）
3. PhreeqC水化学建模分析SI_Calcite
4. 正向冲洗(forward flushing)干预技术评估

【研究结果】

Scaling detection
数据显示，当SI_Calcite达到1.7-2.0时，浓缩液pH下降可比渗透率降低提前数小时预警CaCO₃结垢。在实验4"(1)中，运行30小时后出现的结垢事件表现为：渗透率下降（红色虚线）伴随浓缩液pH和EC降低，而及时的正向冲洗不仅能消除浓度极化层，还可逆转已形成的CaCO₃沉积。

Conclusion
研究首次证实：1) 浓缩液pH是早期CaCO₃结垢最敏感的指示参数；2) 在结垢初始阶段（方解石过饱和状态）通过pH监测触发正向冲洗，可不依赖阻垢剂实现长期稳定运行；3) EC响应滞后于pH的现象与水化学缓冲机制有关。

【重要意义】
该成果突破了传统结垢检测技术难以产业化的瓶颈，为内陆脱盐系统提供了一种经济、环保的实时监控方案。特别是证实了早期CaCO₃沉积的可逆性，这对延长膜寿命、降低运营成本具有重要工程价值。研究发表于《Desalination》，其采用的常规参数监测策略显著提升了技术转化可行性，为水处理行业应对结垢挑战提供了新范式。