正弦图案化膜的理性设计：阐明几何效应对涡流动力学和浓度极化的交互作用

《Journal of Water Process Engineering》：Rational design of sinusoidal patterned membranes: Elucidating interactive geometric effects on vortex dynamics and concentration polarization

　　• 正弦波纹膜的开发旨在最大限度地减少界面死区• 一个显著的双涡旋结构支配着正弦波谷中的传质过程• 几何相互作用对壁面剪切应力的影响大于溶质浓度• 最优参数（A = 228 μm，B = 300 μm）在冲刷与浓差极化缓解之间取得平衡• 建立了一个用于仿生膜理性设计的CFD-RSM预测框架引言压力驱动膜技术涵盖了一系列分离过程，已成为可持续水处理、工业废水回用和资源回收不可或缺的技术[1]、[2]、[3]。这主要归因于其显著较小的占地面积、对多价离子和有机物卓越的分离效率，以及高度自动化管理的潜力。然而，膜性能对局部流场环境极为敏感。横向流速和流体行为等因素决定了壁面剪切应力和溶质浓度分布，进而控制浓差极化（CP）的严重程度以及随后的膜污染[4]、[5]。为应对这些挑战，研究人员探索了多种调控膜-液界面附近流场的策略，例如布设进水隔网、优化组件水力性能，以及直接修改膜表面形貌[6]、[7]、[8]。传统上，进水隔网被用于促进流体混合并破坏浓度边界层。然而，隔网丝线与膜之间的物理接触不可避免地减小了有效过滤面积。更为关键的是，这些接触点必然形成严重的流动停滞区，使得局部传质系数趋近于零，极易导致局部污染物积聚和生物膜加速生长。近年来，表面微图案化作为一种尤为有前景的方法崭露头角，因为它允许对内局部速度矢量进行内在调控，以增强壁面剪切应力并破坏浓度边界层的发展[9]、[10]、[11]。先前的实验研究表明，引入特定的几何图案，如三角形脊、矩形凹槽或凸起，可以有效增强传质并缓解CP[12]、[13]、[14]。这些发现表明，亚毫米尺度上的结构修饰即使在层流条件下也能产生显著的类湍流效应和二次流[15]。然而，一个持续存在的挑战是：大多数传统角度图案在其尖角波谷中固有地形成了速度死区，这些区域会截留溶质，反而加剧局部CP[16]。这一机理瓶颈促使人们探索流线型、非角度的几何形状。最近，仿生图案[17]、[18]和非常规混合拓扑结构[13]、[19]因其模拟自然界流线型表面的能力而受到广泛关注，在缓解浓差极化和增强界面传质方面展现出多重优势。受这些宏观仿生概念的启发，目前仍迫切需要将此类流线型轮廓转化为可数学预测的物理微结构。因此，本研究以几何上更优、参数驱动替代方案的身份，考察了正弦波纹膜。计算流体力学（CFD）已被证明是揭示膜形貌与溶质输运之间复杂关系不可或缺的工具[20]、[21]、[22]。尽管已有若干研究利用CFD分析了孤立几何参数（如高度或间距）的影响，但这些变量之间潜在的交互效应仍理解不足[14]、[23]、[24]。在复杂流场中，表面特征的宽度与高度之间的相互作用决定了局部涡旋结构的形成以及传质效率的结果。缺乏一个将这些交互效应整合进优化模型的综合框架，限制了高性能图案化膜的理性设计。因此，亟需预测工具来指导拓扑结构的工程设计，以同时增强界面剪切应力并最大限度减少表面溶质积累。为填补这些空白，本研究以几何上更优的替代方案考察了正弦波纹膜，用以替代传统角度图案。正弦波轮廓被认为可提供一种流线型界面，有效消除速度死区，从而促进更高效的溶质反扩散。此外，与尖角几何结构相比，正弦波的平滑曲率有望在大规模制备过程中提供更好的结构稳定性和更高的可重复性[25]、[26]。在本研究中，我们开发了一个综合建模框架，将CFD与响应面方法（RSM）耦合，以几何参数为变量，以壁面剪切应力和表面浓度为响应目标。从实际工程角度看，这种参数驱动的设计策略为苛刻的分离场景设想了一个可扩展的平台。同时，通过多目标优化方法，我们旨在阐明微观结构参数的协同效应，并提出一种稳健的预测策略，用于高性能图案化膜的理性设计。章节摘要CFD工作流程在本研究中，利用CFD表征了正弦波纹膜在压力驱动流道内的界面水动力行为。与传统的实验室实验相比，CFD模拟提供了原位难以测量的局部输运现象的高分辨率见解，例如壁面剪切应力（τw）、溶质浓度梯度、速度矢量和局部渗透通量。首先，建立了三维（3D）计算域。CFD模型验证为评估本研究所用数值方法的一致性，将本研究的CFD结果与Zhou等人[23]先前发表的计算结果进行了比较。比较针对圆形和矩形膜构型进行，采用可比的几何构型和相同的归一化程序。如图S4所示，预测的归一化CP因子和归一化渗透通量与结果吻合良好。结论本研究利用CFD系统地考察了正弦结构膜表面附近的水动力行为和溶质输运机理。最初，模拟揭示了正弦表面波谷中显著的双涡旋结构，该结构在波谷底部诱发了显著的速度死区，并导致膜脊上壁面剪切应力呈现非单调变化。通过将RSM与CFD相结合，本研究进一步量化了影响。作者贡献声明Zile Chen：初稿撰写、软件、方法论、形式分析、概念构思。Dinghao Ma：软件、方法论、调查研究。Panni Chen：调查研究、形式分析。Mu Li：软件。Yihao Xiao：方法论。Wanbin Li：指导。Wentao Shang：审阅与编辑、资金获取、概念构思。利益冲突声明作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能影响本文所报告工作的客观性。致谢本工作得到了广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A1515010553 和 2023A1515110825）以及国家级大学生创新创业训练计划（项目编号：202610559041 和 202610559018）的支持。Zile Chen|Dinghao Ma|Panni Chen|Mu Li|Yihao Xiao|Wanbin Li|Wentao Shang