《Desalination》：Revisiting the value of high-flux seawater reverse osmosis membranes with asymmetric flow energy recovery
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提出一种新型非对称等压能量回收装置（AF-PX），在60%脱盐率下实现1.8 kWh/m3的单位能耗，优于传统两阶段系统（2.3-2.5 kWh/m3）。该装置通过优化高、低压侧非对称流量处理，结合等压交换的高效性，无需增压泵即可降低能耗，并促进高渗透率膜材料发展。
Sangsuk Lee | Javier A. Quezada-Renteria | Eric M.V. Hoek
加州大学洛杉矶分校，Samueli工程学院，土木与环境工程系，美国加利福尼亚州洛杉矶，90095
摘要
本文描述并分析了一种用于海水反渗透（SWRO）的新型能量回收装置（ERD）——非对称流压力交换器（AF-PX），该装置在高水回收率下能够实现比优化后的两阶段SWRO系统更低的比能耗（SEC）（计算值为2.3–2.5 kWh/m3）。AF-PX的较低SEC归因于其较高的能量转换率，这得益于其处理较高高压流量的能力，优于单一的涡轮增压器和压力交换器（PX）。具体而言，AF-PX在60%的水回收率和5 LMH/bar的SWRO膜水渗透率下可实现1.8 kWh/m3的能耗，而传统的PX系统则需要9 LMH/bar的水渗透率才能达到相同的SEC水平。这一创新将高效等压ERD特性与非对称流量处理能力相结合，并且无需增压泵，从而通过利用剩余盐水压力来优化高水回收率两阶段SWRO的能源使用。我们希望这项假设性的ERD研究能够促进AF-PX型ERD和更高渗透率SWRO膜的发展，为降低能耗的海水淡化技术铺平道路。
引言
反渗透（RO）是一种重要的海水淡化技术，其全球安装容量在过去十年中增长了约2.5倍，从4000万m3/天增加到10000万m3/天[1]。在海水淡化过程中，能源需求仍然很高，而且如果使用化石燃料作为动力，相关的碳足迹会加剧气候变化[2]。海水反渗透（SWRO）的能源消耗与驱动RO膜过程的高压泵直接相关，占总能源使用的约80%[3]、[4]。在过去的三到四十年里，SWRO膜材料和制造工艺的改进、SWRO工厂的水力设计以及高效水力能量回收装置（ERD）的出现，使得比能耗（SEC）从大约10 kWh/m3降低到了2.5 kWh/m3以下[5]。自20世纪60年代RO膜首次出现以来，膜的水渗透率从约0.36 LMH/bar提高到了约3 LMH/bar，提高了近10倍，同时盐的排斥率也从约95%提高到了99.8%以上[6]；换句话说，盐的透过率降低了25倍以上。这些改进减少了获得足够水通量所需的水力压力，并使全球许多地方能够实现单次通过的反渗透[7]。从单阶段系统设计转变为两阶段系统设计也有助于降低能源消耗，特别是在高回收率的应用中[8]。此外，水力ERD技术的进步进一步将SEC降低了25%到50%[9]、[10]。早期的离心式ERD（如Francis涡轮机、Pelton轮和涡轮增压器）的效率仅为70%到80%[11]、[12]。最近的SWRO工厂采用了等压压力交换（PX）ERD，其效率可达到98%[13]。
尽管有这些先前的创新，但SWRO淡化仍然相对耗能且成本较高。因此，SWRO的应用主要局限于富裕国家或水资源极度短缺且能源成本极低的国家——而许多发展中国家无法负担到可靠的供水系统。目前的SEC远高于热力学最低分离工作要求，能源需求仍然是主要的成本障碍。在理想的单阶段RO过程中，进水泵的压力至少等于盐水压力，这取决于进水的盐度、盐的排斥率和产水的回收率[14]、[15]。对于进水盐度为35 g/L且回收率为50%的单阶段SWRO，假设完全排斥盐分的情况下，热力学最低SEC约为1.6 kWh/m3[7]。由于水力损失和效率低下，缩小实际SEC与理论SEC之间的差距仍然是一个挑战；即使最好的现代SWRO工厂（理论效率为62.5%）也仍有很大的改进空间[9]。一些人认为，采用两阶段方法可能有助于降低能源需求和成本；然而，也存在一些根本性的挑战。依赖涡轮增压器的两阶段SWRO设计由于需要实现更高的产水回收率而消耗更多总能源[8]。尽管等压ERD效率很高，但它们只能在相同的流量下传递压力，并且需要多个设备并行使用来克服这一缺点[16]；这也限制了它们在小型应用中的使用，因为实施成本较高。
下一代膜材料、工艺设计和ERD技术可能会带来显著降低SWRO能耗的机会，即使在较高的回收率下也是如此。例如，碳纳米管（CNT）、石墨烯、氧化石墨烯、水通道蛋白、氮化硼纳米管、基于沸石的薄膜纳米复合材料以及氟寡酰胺纳米环等新型膜材料因其极高的水渗透率而受到关注[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。虽然一些研究表明进一步提高SWRO水渗透率的收益正在减少[28]，但早期模拟仍表明，与传统膜相比，水渗透率提高三倍可能会导致SEC降低15%[29]、[30]、[31]。此外，提高能源效率的努力还集中在开发创新工艺设计上，如半批处理和批处理RO，这些设计通过在大气压下排放盐水和减少驱动压力的顺流变化来实现节能[32]、[33]、[34]、[35]。然而，在ERD技术领域，自最新一代等压ERD问世以来，重大进展寥寥无几。这表明可能需要探索超越现有等压ERD设计的替代方案。例如，一种新型ERD可能兼具等压ERD的高效率和涡轮增压器处理非对称流量的能力。
本文展示了非对称流等压ERD概念的理论潜力，该概念在两阶段RO配置中既具有高效率又能处理非对称流量。我们采用相对简单的热力学分析来评估其能源消耗，并与传统的ERD和系统设计进行比较；然后，我们通过能量分析来解释新型ERD相对于传统方案的节能机制。我们研究了不同ERD系统在不同产水回收率下的能源消耗情况。我们还研究了不同类型ERD对SWRO膜渗透率在第一阶段和第二阶段的影响，以了解将非对称流等压ERD与高通量SWRO膜结合的潜力。这种新型ERD有可能重新定义海水淡化的能源格局，并促进高通量RO膜的发展。此外，它还可以通过降低能耗和运行压力（使用高渗透率膜）使高水回收率的两阶段RO系统变得可行。这一进步将使零液体排放的淡化技术和环保型矿物提取成为可能[36]。
部分摘录
工艺描述
模拟了四种不同的情况：(a)单阶段和(b)-(d)两阶段SWRO工厂（见图1），在进水盐度为35 g/L、流速为158 m3/h、温度为25°C的稳态条件下进行。SWRO模块的平均通量设置为13 LMH，这是SWRO工厂的典型运行通量[37]。净水回收率从30%变化到90%，以评估不同ERD配置下的SEC变化。此外，假设净水回收率为60%作为参考
一种用于降低两阶段SWRO能耗以实现高水回收率的新型ERD
新提出的非对称流等压ERD（AF-PX）与现有的ERD配置（PX和涡轮增压器）进行了对比评估，以证明其在高水回收率下降低RO能耗的有效性。传统的PX系统要求进水和盐水侧具有相同的流速以保持效率。当应用不同的流速时，由于设计上的限制，其性能会受到影响
结论
在这项工作中，我们提出了一种新的AF-PX概念，它可以在高压侧和低压侧的不同流量之间传递压力（类似于涡轮增压器），同时具有传统等流PX的更高效率。AF-PX在60%的水回收率下的SEC接近1.8 kWh/m3，与低水回收率下的单阶段SWRO的SEC相当。能量分析表明，AF-PX可以实现更高的能量转换率
CRediT作者贡献声明
Sangsuk Lee：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究、初稿撰写、方法论、正式分析。Javier A. Quezada-Renteria：撰写 – 审稿与编辑、验证。Eric M.V. Hoek：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢UCLA Samueli工程学院、UCLA土木与环境工程系以及UCLA可持续洛杉矶大挑战项目对本研究的支持。
