多级反渗透与离心反渗透系统的能效对比研究：基于质量传递控制与热力学平衡的双重分析视角

为解决高能耗海水淡化技术瓶颈，研究人员对比分析了多级反渗透(MSRO)与离心反渗透(CRO)系统的能效差异。通过热力学平衡控制(TEC)和质量传递控制(MTC)双方法验证，发现MSRO在2级及以上阶段时能效超越CRO，且模块直径优化可进一步降低能耗，为新一代淡化技术设计提供理论依据。

　　

全球水资源危机正威胁着40亿人口的生存，海水淡化成为解决淡水短缺的关键技术。传统单级反渗透(SSRO)虽占据全球70%淡化产能，但其全膜均匀高压操作模式导致巨大能耗浪费。近年来，多级反渗透(MSRO)和离心反渗透(CRO)技术因有望逼近热力学最小能耗而备受关注，但既往研究多基于假设膜通透性无限大的理想化热力学平衡控制(TEC)方法，未能反映实际工况。美国能源部资助的研究团队首次采用更接近现实的质量传递控制(MTC)方法，系统比较了两种技术在50%回收率下的性能差异。

研究团队开发了ε-MTU（有效性-质量传递单位）分析方法，结合CFD模拟验证，对0.01-0.2 GPM流量范围的 seawater（盐浓度35 g/L）进行处理。通过建立压力-回收率曲线，确定了各MSRO阶段的最优操作压力，并创新性提出最小能耗模块直径设计理论。所有分析均假设100%盐截留率、无浓度极化和理想设备效率，以纯粹比较系统本质特性。

【Working principle of SSCRO and MSRO systems】
研究采用单层圆盘形膜组件，feed（进料水）轴向进入后径向流动。CRO通过旋转盘产生离心压力梯度，与径向递增的渗透压自然匹配；MSRO则通过多级串联，逐级增加跨膜压力。理论显示无限级MSRO可达热力学极限，但实际受制于设备复杂度。

【Results and discussions】
TEC分析显示CRO比SSRO节能31%，但随着MSRO级数增加，优势递减至2级16%、5级7%。MTC分析发现：在固定模块直径时，MSRO在2级及以上即超越CRO性能；优化模块直径后，CRO所需直径始终大于MSRO各阶段，且流量越大差异越显著。MSRO的后续阶段模块尺寸可递减，但级间增压导致比能耗递增。

【Conclusions】
研究表明：实际MTC条件下，MSRO只需2级即可在多数工况超越CRO；模块尺寸优化可使两者均逼近热力学极限，但CRO需要更大的物理尺寸。该研究为淡化技术选择提供了新判据——高流量场景优选MSRO，而CRO的机械简洁性在特定场景仍具价值。研究建立的MTC分析方法突破了传统TEC的局限性，为下一代低能耗淡化系统设计奠定了方法论基础。