有机污垢热导率建模及其对DCMD废水处理中膜通量影响的机制研究

本研究针对直接接触式膜蒸馏(DCMD)中有机污垢层热导率对膜性能的影响机制展开探索，通过模拟典型有机污染物（SA/BSA）在不同pH和温度下的污垢行为，结合数值模型首次量化了污垢层热导率（SA：0.46×10-2 -2.89×10-2 W/m·K；BSA：0.89×10-2 -5.61×10-2 W/m·K），揭示污垢层通过降低膜疏水性（接触角降至40°-36°）和诱发润湿现象导致通量衰减，为优化DCMD抗污策略提供理论依据。

　　

随着全球水资源短缺加剧，废水处理技术的创新成为迫切需求。膜蒸馏(Membrane Distillation, MD)因其能利用低品位热源处理高盐废水而备受关注，其中直接接触式膜蒸馏(Direct Contact Membrane Distillation, DCMD)因结构简单成为研究热点。然而，膜污染导致的通量衰减和能耗上升长期制约其工业化应用。尤其是有机污染物形成的污垢层，不仅会阻塞膜孔，还可能改变界面热质传递特性。但现有研究多聚焦操作参数优化，对污垢层本征热物理性质（如热导率）及其对传热效率影响的定量研究仍属空白。

针对这一科学瓶颈，韩国国立研究基金会资助的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表重要成果。研究选取废水处理中典型的蛋白质（牛血清白蛋白BSA）和多糖（海藻酸钠SA）作为模型污染物，通过构建融合实验测量与数值模拟的创新方法，首次实现污垢层热导率的原位估算，并阐明其对DCMD性能的影响机制。

研究采用三阶段技术路线：首先通过DCMD实验监测不同温度（35°C/50°C）和pH（4/6/8）条件下的渗透通量衰减规律；其次结合扫描电镜(SEM)和接触角测量表征污垢层形貌与润湿性变化；最后建立基于传热平衡的数值模型，利用通量衰减数据和体相温度反演污垢层热导率。

膜污染动态行为
实验显示所有条件均呈现初期1小时通量骤降后趋于稳定的特征。50°C时通量（4-6 LMH）显著高于35°C（约1 LMH），且高温下pH影响更显著：SA溶液通量随pH升高而降低，BSA则相反。SEM证实污垢以滤饼层(cake layer)形式覆盖膜面，接触角测试显示SA和BSA分别使膜疏水性降至40°和36°。渗透液电导率在pH 8时异常升高，暗示污垢诱发膜润湿。

热导率定量解析
创新提出的数值模型估算出SA污垢层热导率为0.46×10^-2
-2.89×10^-2
W/m·K，BSA达0.89×10^-2
-5.61×10^-2
W/m·K，均远低于其体相材料值。这表明污垢层主要通过增加传质阻力（而非热阻）影响性能，且BSA的热阻效应强于SA。温度极化分析显示污垢层会削弱有效驱动力。

结论与展望
该研究首次建立DCMD污垢层热导率与通量衰减的定量关联，证实有机污垢主要通过降低膜渗透性（而非增加热阻）影响性能。发现BSA比SA更易引发温度极化，为抗污膜设计指明方向——针对蛋白质污染需优先改善热传导，而多糖污染则应侧重孔隙率调控。提出的热导率反演模型为在线污染诊断提供新工具，推动DCMD从经验操作向预测性维护转型。未来研究可拓展至混合污染体系及长期运行验证，最终实现废水处理能耗降低30%以上的工业目标。