从仿生学到工程应用：基于鳄鱼皮骨结构的膜蒸馏系统新型间隔材料设计与性能优化

【编辑推荐】本研究针对膜蒸馏(MD)系统中温度极化、浓度极化和膜污染等关键问题，创新性地从鳄鱼皮骨结构(osteoderms)获取仿生灵感，开发了9种新型间隔材料(spacer)。通过三维计算流体力学(CFD)模拟证实，新型仿生结构可使进料通道混合效率提升5倍，同时优化了压力降和传质性能，为高盐废水处理提供了革命性解决方案。

　　

在全球水资源危机日益严峻的背景下，膜蒸馏(Membrane Distillation, MD)技术因其能利用低品位热源处理高盐废水的独特优势，成为海水淡化和废水回用领域的新希望。然而这项技术长期面临三重挑战：膜表面温度极化(Temperature Polarization)导致驱动力衰减、浓度极化(Concentration Polarization)加速膜污染、以及传统间隔材料(spacer)流体动力学性能不足。这些"卡脖子"问题严重制约着MD技术的工业化应用。

自然界经过亿万年进化形成的精妙结构，往往蕴藏着解决工程难题的钥匙。鳄鱼背部的皮骨结构(osteoderms)因其特殊的流体力学特性引起研究者注意——这些骨板中央的纵向龙骨(keel)能同时实现结构强化和湍流诱导的双重功能。受此启发，卢森堡国家研究基金(FNR)支持的科研团队在《Desalination》发表创新研究，首次将鳄鱼皮骨结构转化为膜蒸馏系统的仿生间隔材料，通过计算流体力学(CFD)模拟证实其性能突破。

研究采用三维CFD模拟作为核心技术手段，重点分析进料通道的流体动力学特性。通过对比9种不同构型（包括8种单层设计和1种双层设计）的仿生spacer，采用染料质量分数分布可视化评估混合效率。所有模拟均在典型MD操作条件（温度40⁰–80?°C，跨膜压差<10⁵ Pa）下进行，同时设置空通道和两种传统spacer作为对照。

【Bio-inspired spacers design】
研究团队精确复现了鳄鱼皮骨的三维特征：中央龙骨结构形成流体分离的微涡流，表面凹槽增强二次流动。设计出D1（高龙骨比）和D2（低龙骨比）两种基础构型，通过交错(staggered)和直线(inline)两种排列方式形成变体。

【Qualitative assessment of mixing performance】
染料示踪显示：D2交错构型在雷诺数Re=800时展现出最优混合特性，流体轨迹呈现螺旋前进模式，边界层更新频率较传统spacer提高300%。温度场分析证实该构型使膜表面温度梯度降低62%，有效缓解温度极化。

【Conclusions】
这项研究开创性地证明：基于鳄鱼皮骨结构的仿生spacer可使MD系统混合效率提升5倍，压力降仅增加15–20%，实现"低能耗-高性能"的完美平衡。其双层设计更展现出协同效应，为处理高盐废水(>7% TDS)提供了新思路。

该成果的重要意义在于：首次将古生物结构特征转化为实用的膜工程解决方案，突破了传统spacer设计的经验局限。研究建立的仿生设计方法论可扩展至其他膜过程（如反渗透RO、正渗透FO），为应对全球水危机提供了跨学科创新范式。作者Alaa Adel Ibrahim和Stephan Leyer特别指出，这种"自然优化"的结构比人工设计更适应复杂流体环境，其专利布局将加速MD技术的商业化进程。