搅拌调控冰-液界面传质传热机制提升冷冻脱盐效率的研究

为解决冷冻脱盐(FD)过程中热梯度不均和溶质扩散受限导致的脱盐效率低下问题，研究人员通过定制夹套式结晶器结合CFD模拟，系统研究了机械搅拌对NaCl溶液(35 g/L)径向冷冻过程的影响。实验与模拟结果表明，60 rpm搅拌可使脱盐效率提升至67%，较静态条件(59%)显著改善，同时维持冰产量不变。该研究为优化FD系统流体动力学控制提供了理论依据，对发展高效节能的海水淡化技术具有重要意义。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，海水淡化技术成为解决淡水危机的重要途径。传统反渗透(RO)和热法脱盐存在高能耗、设备腐蚀等瓶颈，而冷冻脱盐(FD)因其低能耗、抗污染等优势备受关注。然而FD技术面临核心挑战：冰晶生长过程中盐分截留现象导致脱盐效率低下，这主要源于冰-液界面处形成的浓度极化层阻碍了溶质扩散。尽管已有研究尝试通过冰洗涤、离心等后处理提升纯度，但这些方法增加了工艺复杂度。如何通过原位调控结晶过程改善脱盐效率，成为FD技术走向实际应用的关键科学问题。

针对这一挑战，研究人员在《Separation and Purification Technology》发表的研究中，创新性地采用机械搅拌干预冷冻过程。通过定制夹套式圆柱结晶器，结合35 g/L NaCl溶液的径向冷冻实验与计算流体力学(CFD)模拟，系统探究了搅拌对冰晶生长和溶质传输的调控机制。研究团队运用温度场测量、冰层盐度分析等实验手段，配合基于焓-孔隙度法的CFD模型，实现了对冷冻过程中热-质耦合传输的多尺度解析。模型通过Scheil近似处理溶质分配，采用k-epsilon湍流模型模拟搅拌流场，成功复现了实验观测的冰晶生长模式与盐度演化趋势。

3.1 实验结果
温度监测显示搅拌能有效均质化液相温度场，延迟过冷现象。冰层盐度分析揭示早期形成的冰纯度最高(2 g/L)，随结晶进程盐度呈指数上升。脱盐效率曲线表明，前10%冰层的盐去除率可达90%，但整体效率受末端高盐冰层拖累。

3.2 模型验证
CFD模拟与实验数据的温度场对比显示平均绝对误差<3℃，盐度分布趋势吻合。模型成功捕捉到冰层迁移现象：初期底部优先结晶，后期因高盐浓液下沉导致冰层向上部聚集，验证了浮力驱动分层的理论假设。

3.3 相变动力学
多物理场耦合模拟揭示三个关键机制：(1)密度驱动流引发冰生长异质性，初期冷浓液下沉促进底部成核；(2)盐分再分布形成反馈循环，底部累积的高盐分(6%)抑制后续结晶；(3)冰的高导热性(2.2 W/m·K)加速上部热耗散，形成持续的温度倒置现象。

3.4 搅拌速率敏感性
对比静态、30 rpm和60 rpm条件发现：剧烈搅拌(60 rpm)使前10%冰层的平均盐质量分数降至1.2%，较静态条件(1.5%)显著改善。盐去除效率随时间递增，在60 rpm时达67%，较静态提升8个百分点。流场分析表明搅拌通过破坏浓度边界层，促进溶质向体相扩散。

这项研究通过多尺度实验与模拟，阐明了机械搅拌通过双重机制提升FD效率：(1)热力学层面，均质化温度场延缓界面过冷；(2)动力学层面，增强溶质扩散抑制浓度极化。研究发现60 rpm为最优搅拌参数，在保证冰产量的同时最大化脱盐效率。该工作为FD工艺优化提供了定量设计依据，提出的"动态混合-定向结晶"协同策略，为发展下一代节能脱盐技术开辟了新路径。特别值得注意的是，研究揭示的冰层迁移现象和盐分反馈机制，对大型结晶器设计具有重要指导价值。未来研究可进一步探索搅拌参数与冰晶形貌的构效关系，推动FD技术向工业化应用迈进。