膜蒸馏中石膏结垢临界润湿时刻的实时电化学阻抗谱解析与智能防污策略

针对膜蒸馏(MD)中矿物结垢引发的膜润湿难题，研究人员通过实时电化学阻抗谱(EIS)技术捕捉石膏(CaSO4)结垢的临界润湿时刻，结合光学相干断层扫描(OCT)验证晶体渗透深度。研究发现阻抗峰值标志污垢由膜外表向内渗透的转变，此时机进行原位水冲洗可使膜寿命延长5倍，通量恢复率超95%。该研究为高盐废水处理提供了智能抗污/润湿新策略。

　　

随着全球水资源短缺问题日益严峻，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备受关注。这项技术依靠疏水膜两侧的温差驱动水蒸气透过膜孔，理论上可完全截留非挥发性物质。然而在实际应用中，无机盐结垢引发的膜润湿问题如同"阿喀琉斯之踵"，严重制约着该技术的推广。特别是石膏（CaSO₄·2H₂O）这类矿物垢，不仅会堵塞膜表面，更会穿透膜孔造成不可逆的润湿，导致膜性能断崖式下降。传统依赖通量和电导率监测的方法存在明显滞后性，就像"亡羊补牢"，往往发现润湿时为时已晚。如何精准捕捉润湿发生的临界点，成为破解这一技术瓶颈的关键所在。

重庆大学的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表的研究中，创新性地将电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）与光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）联用，首次实现了对膜蒸馏过程中石膏结垢动态的原位、无损监测。研究人员采用0.22 μm聚偏氟乙烯（PVDF）膜，在三种温差条件下进行直接接触式膜蒸馏（DCMD）实验，通过建立等效电路模型解析全频段阻抗数据，并结合扫描电镜（SEM）的截面形貌观察，揭示了阻抗峰值与结垢位置转变的对应关系。

关键技术方法包括：实时单频/全频EIS监测系统构建，用于捕捉膜界面电化学特性变化；OCT原位观测石膏成核过程；SEM分析晶体渗透深度；设计五循环结垢-清洗实验验证临界时刻清洗效果。实验采用含Ca²⁺和SO₄^2-的模拟高盐废水，通过控制温度差（20-40°C）加速结垢过程。

【湿化动态与阻抗特征】
研究发现阻抗变化呈现独特的"波峰"趋势：初始阶段单频阻抗随表面晶体沉积缓慢上升；当结垢层开始向膜内部渗透时，阻抗达到峰值；完全润湿后阻抗急剧下降。这一现象在40°C温差下尤为显著，润湿发生时间较20°C条件缩短67%。

【临界润湿时刻判定】
通过等效电路分析发现，膜表面电阻（R_f）和膜孔内电阻（R_p）的比值变化可准确反映结垢位置转变。当R_p/R_f>1时，表明晶体已侵入膜孔内部，此时即为防止不可逆润湿的最后干预时机。OCT实时影像显示该时刻对应晶体网络突破膜表面的关键节点。

【智能清洗策略验证】
在五循环实验中，于阻抗峰值时刻（临界润湿时刻）进行原位水冲洗的组别，膜通量恢复率持续保持在95%以上，渗透液电导率增幅<5 μS/cm；而延迟清洗的对照组，三次循环后即出现通量不可逆下降（恢复率<60%），电导率飙升20倍。SEM证实及时清洗可避免晶体机械性刺穿膜孔结构。

这项研究的重要意义在于：首次建立了EIS信号与结垢动态的定量对应关系，破解了传统监测方法的滞后性难题；提出的"临界润湿时刻"概念为膜清洗提供了精确的时间窗口；开发的智能抗污策略可使膜寿命延长5倍以上，处理成本降低30%。该成果不仅适用于高盐废水处理，对食品浓缩、制药分离等涉及复杂流体的膜过程都具有重要参考价值。研究团队特别指出，未来可基于阻抗特征开发在线预警系统，实现膜过程的智能化运行维护。