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当前热膜耦合系统对物料与能量流协同匹配考虑不足，尤其在变工况和水质要求下问题突出。研究人员构建膜 - 热耦合淡化超结构模型（MINLP 优化），确定不同海温（5°C/25°C）和水质（<10mg/L/<500mg/L）下 MED 与 RO 最佳耦合方案及参数，成本较传统系统降低 3.6%-21.7%，为热膜集成提供指导。
在全球水资源短缺与气候变暖的双重压力下，海水淡化成为缓解淡水危机的重要途径。然而，传统热法（如多效蒸馏 MED）与膜法（如反渗透 RO）耦合系统普遍存在能量与物料流协同匹配不足的问题，尤其在海水温度波动（5–25°C）、淡水水质要求差异（如工业用盐度 < 10 mg/L 与市政用 < 500 mg/L）时，系统难以动态平衡供需关系，导致能量利用率低、成本高。如何通过系统优化实现不同工况下的高效耦合，成为制约海水淡化技术规模化应用的关键瓶颈。
为突破这一难题，国内研究团队针对传统 MED-RO 系统 “刚性耦合” 的局限性，开展了膜 - 热耦合海水淡化超结构系统的优化设计研究。该研究以建立能量 - 质量网络驱动的耦合模型为核心，通过混合整数非线性规划（MINLP）方法实现系统年总成本最小化，相关成果发表在《Desalination》。
研究采用的关键技术方法包括：
- 构建包含 MED 与 RO 单元的超结构模型，整合系统内能量流（热能、电能）与物料流（海水、浓盐水、淡水）的动态交互；
- 通过 MINLP 优化框架，同步优化系统拓扑结构（如 RO 级数、MED 效数）、运行参数（如产水比例 RO:MED=2:8 至 8:2）及设备启停序列；
- 引入梯度能量利用策略，将 MED 的多效蒸发与 RO 的多级处理纳入统一层级，实现余热回收与能量梯级利用。
研究结果
不同工况下的最佳耦合方案
高水质要求（盐度 < 10 mg/L）
- 当海水温度较低（5°C）时，最优方案为二级反渗透（Two-stage RO）浓盐水与海水混合作为 MED 进料，RO:MED 产水比 2:8，成本低至 0.819 $?m-3；
- 海水温度较高（25°C）时，RO:MED 产水比调整为 8:2，成本 0.831 $?m-3。与传统系统相比，成本降低 3.6%–21.7%。
低水质要求（盐度 < 500 mg/L）
- 低温条件下，一级反渗透（Single-stage RO）浓盐水与海水混合进料 MED，RO:MED 产水比 6:4，成本 0.732 $?m-3，成本降幅 7.69%–12.96%；
- 高温条件下，单级 RO 独立运行即可满足需求，成本低至 0.633 $?m-3。
系统性能优势
- 动态适应性：通过实时调整产水比例与设备组合，系统可响应海水温度与水质需求变化，避免传统系统固定流程的低效问题；
- 能量优化：梯度利用 MED 废热与 RO 压力能，减少外部能源输入，低温工况下 MED 主导产水（利用低温热源），高温工况下 RO 主导（降低膜组件能耗）；
- 成本效益：不同场景下均实现显著成本节约，验证了热膜耦合超结构模型的经济可行性。
结论与意义
该研究突破传统热膜耦合系统仅依赖物料流简单组合的局限，首次将能量 - 质量网络整合至统一超结构模型，通过 MINLP 优化实现了不同工况下 MED 与 RO 的动态协同。研究结果不仅揭示了海温与水质对耦合方案的影响规律，更提供了从 “固定流程” 到 “自适应网络” 的设计范式，为海水淡化系统应对气候变化、降低生产成本提供了理论支撑与实践指导。未来，该模型可进一步拓展至可再生能源整合（如太阳能、风能驱动），推动海水淡化向低碳化、智能化方向发展。
