膜蒸馏技术处理海水淡化浓盐水过程中的结垢与生物污染机制研究

为解决海水反渗透(SWRO)淡化浓盐水处理中膜蒸馏(MD)技术面临的结垢(scaling)和生物污染(biofouling)问题，研究人员通过模拟亚喀巴湾(GoA)高盐环境，系统考察了50°C与58°C下MD膜性能变化。研究发现仅8°C的温差即可导致产水通量下降40%、截盐率降低55%，而微生物接种则使性能恶化加剧（截盐率降96%）。该研究为优化MD运行参数提供了关键数据支撑，对实现零液体排放(ZLD)具有重要意义。

　　

随着全球淡水需求激增，海水淡化已成为缓解水资源短缺的关键技术。然而反渗透法产生的浓盐水排放正对海洋生态构成严重威胁，仅地中海地区每年就排放约5000万立方米高盐废水。为实现环境友好的零液体排放(ZLD)，膜蒸馏(MD)技术因其对高盐度耐受性强而备受关注，但结垢晶体和微生物膜的双重威胁始终制约其实际应用。

Ben-Gurion University of the Negev - Sede Boqer Campus的研究团队在《Desalination》发表的研究中，创新性地采用亚喀巴湾(GoA)真实海水微生物群落与模拟浓盐水，通过定制化直接接触式膜蒸馏(DCMD)系统，结合光学相干断层扫描(OCT)原位观测技术，系统解析了温度微调引发的"蝴蝶效应"。研究首次揭示58°C高温会触发盐类结晶的链式反应，而本土微生物分泌的生物表面活性剂更会引发膜孔润湿(wetting)的不可逆损伤。

关键技术方法包括：1）构建闭环DCMD实验系统模拟SWRO浓盐水处理；2）采用GoA海域天然微生物群落接种；3）通过OCT实时监测生物膜三维结构；4）设置50°C与58°C双温度对照组；5）持续100小时监测产水通量(L m^-2 h^-1)和截盐率变化。

【Operational strategy and MD setup】
研究团队设计的透明MD单元可实时观察膜表面变化。当处理总溶解固体(TDS)达75 g/L的模拟浓盐水时，发现ΔT=30°C的温度梯度下，50°C组初期能维持19±2 L m^-2 h^-1的稳定通量。

【Impact of scaling and biofouling】
温度升至58°C后，CaCO₃等晶体在58小时内快速覆盖膜表面，通量骤降40%。OCT图像显示微生物会穿透膜孔结构，其分泌的胞外聚合物(EPS)使接触角从112°降至65°，导致膜完全润湿。

【Conclusion】
研究证实温度调控是MD技术应用的双刃剑：50°C时系统可稳定运行，但58°C会引发灾难性失效。微生物污染比纯结垢危害更大，可使截盐率在24小时内从99.9%暴跌至4%。该发现为沿海地区MD工厂的精准温控提供了量化依据，特别提示热带海域需严格控制温度阈值。

这项研究首次量化了"温度-结垢-生物膜"三重耦合效应，其建立的性能预测模型已被纳入以色列新建淡化厂的设计规范。通过揭示细菌穿透膜孔的微观机制，为下一代抗污染疏水膜的研发指明了方向，对推动海水淡化可持续发展具有里程碑意义。