将机械纳滤模型与工艺仿真集成，用于双纳滤设计，以实现微咸水的资源化利用

《Journal of Membrane Science》：Integrating a Mechanistic Nanofiltration Model with Process Simulation for Dual-Nanofiltration Design toward Brackish Water Valorization

　　

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  DSPM-DE模型被扩展用于基于回收率的纳滤（NF）模块预测。
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  五种离子的分离结果与实验数据的偏差在8%以内。
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  双纳滤过程能够实现超过99%的NaCl纯度，并显著减少CaSO₄的结垢。
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  机械预测模型指导结垢控制与资源回收设计。

引言

咸水的可持续管理是一个紧迫的全球性挑战，但它同时也代表着重要的机遇[1][2]。除了作为替代水源外，咸水中还含有可回收和利用的珍贵离子资源[3]。纳滤（NF）技术因其能够通过立体排阻、Donnan排斥和介电排斥效应选择性地分离单价和双价离子而成为这一领域的关键技术[4][5][6][7][8][9][10][11][12][13]。这使得NF特别适合用于同时生产高质量淡水和回收盐类或矿物的集成工艺[14]。

尽管具有巨大潜力，但由于缺乏可靠的、以工艺为导向的性能预测工具，基于NF的资源回收工艺设计受到了严重限制[15]。实际咸水的复杂多离子特性使得难以准确预测系统级别的分离性能，尤其是水回收率这一关键参数在工程设计中的影响[16][17]。目前的做法主要依赖于耗时的大规模实验或从单一盐类数据中进行的不准确外推[18][19]。因此，大多数NF工艺设计仍然比较简单，通常只采用一个NF阶段，而没有系统地将其集成到更广泛的处理流程中[16][20][21]。这种配置不适合处理复杂且容易结垢的咸水介质，因为它们无法同时实现高水回收率、高纯度的离子分离以及有效的污染控制[15]。

基于扩展的Nernst-Planck框架的Donnan立体孔模型与介电排斥（DSPM-DE）等机械模型已广泛验证，可用于预测在特定进料和操作条件下的局部离子传输和截留情况[22][23][24][25][26][27][28][29][30]。然而，将这种局部传输描述转化为工艺规模的膜模块并非易事。随着水流经膜模块，保留液流量持续减少，而被截留的溶质不断积累，从而改变局部进料组成，进而影响局部离子传输和截留行为。因此，以工艺为导向的NF模型必须将局部膜传输与元素级别的水和物种平衡结合起来，并整合空间变化的渗透液流，以获得在预定水回收率下的模块级出口条件。如果没有这种跨尺度耦合，针对固定进料组成或接近零回收率计算的截留率无法直接应用于高回收率操作，这限制了机械NF模型与Aspen Plus等流程模拟器的集成[31][32][33]。

为了解决这一难题，我们首先通过将差分元素离散化与顺序水和物种平衡相结合，将DSPM-DE模型从局部膜传输模型扩展为基于回收率的模块级计算。在这项工作中，DSPM-DE模型指的是单个膜元件内的局部机械传输计算；NF计算模块指的是集成这些局部计算的工艺导向型Aspen Plus用户定义单元；而双纳滤（Dual-NF）配置指的是空心纤维纳滤（HFNF）阶段后接螺旋缠绕纳滤（SWNF）阶段的工艺布置。这种NF模块能够根据进料组成的变化预测多组分的回收率。然后我们使用该模块设计了一个双纳滤配置，其中HFNF在高水回收率下运行，优先去除容易结垢的双价离子，随后SWNF对富含单价离子的流体进行高选择性精制。最后，将NF模块与Aspen Plus中的下游结晶和水回收操作相结合，以筛选不同的资源回收流程，并量化其物料流量、能源需求和处理成本。我们开发的双纳滤资源回收工艺包提供了三种可定制的路线，用于生产高纯度的Mg(OH)₂、CaSO₄·2H₂O和NaCl。因此，这项工作的贡献不仅仅局限于优化单一流程，而是建立了一种基于模型的工作流程，可以快速筛选和优化NF相关的工艺方案，显著减少实验试错次数。

章节摘录

材料与膜

本研究中使用的2英寸空心纤维纳滤膜模块和1812螺旋缠绕纳滤膜模块均由南京伟华膜技术有限公司提供，产品规格和模块照片分别显示在表1和图S1中。使用了硫酸镁（MgSO₄，99.9%，Macklin）、硫酸钠（Na₂SO₄，99%，Sinopharm）、氯化镁（MgCl₂，99%，Macklin）和氯化钠（NaCl，99%，Aladdin）来评估这些膜的性能。

基于回收率的NF计算模块验证

为了验证包含五种离子（Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、SO₄^2-、Cl^-）的咸水系统中DSPM-DE模型的可靠性，我们选择了该系统。模型计算的系统截留率与不同水回收率下的实验值进行了比较（见图1(b)）。实验数据使用2英寸空心纤维纳滤膜模块获得。模型结果显示，随着回收率的增加，所有离子的系统截留率均有所下降。

结论

在这项工作中，我们将DSPM-DE模型从局部机械膜传输模型转化为一个可以直接与工艺模拟结合的基于回收率的NF计算模块。通过将局部DSPM-DE计算与顺序差分元素离散化和水/物种平衡相结合，开发的模块能够捕捉水回收率增加时进料组成和离子分离的渐进变化。

CRediT作者贡献声明

赵刘勇： 验证、研究。王吴聪： 验证、研究。刘瑞豪： 验证、研究。聪雅文： 验证、研究。曹学丽： 验证、研究。范青卢： 验证、研究。王振元： 编写－审核与编辑、监督、资金获取、概念化。孙世鹏： 编写－审核与编辑、监督、资金获取、概念化。邢卫红： 验证、监督、资金获取。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢以下机构的支持：中国石油化工集团有限公司（科学和技术计划（2025AB077）；国家重点研发计划（2023YFE0100900）；江苏省基础研究计划（BK20232010）；江苏省科学技术厅（BZ2022012、BE2023808）；江苏省研究生研究与实践创新计划（26CXJH2798）。

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