膜海水淡化工艺，特别是基于反渗透（RO）的工艺，在零液体排放（ZLD）和最小液体排放（MLD）应用中减少了对高能耗热处理的需求[1]、[2]、[3]。混合半批/批式反渗透（HSBRO）是一种特别适合这类应用的新兴RO技术，因为它结合了高回收率和低能耗[4]、[5]。利用这项技术，已经实现了超过95%的水回收率[6]。结合高压RO膜的最新创新[7]，HSBRO在处理盐水浓缩、资源回收、关键矿物加工和废物管理方面具有巨大潜力。结合适当的预处理或后处理方法，HSBRO和高压膜可以用于处理来自多个行业的废水，包括地下水淡化、石油和天然气、食品和饮料、制革、造纸以及医院废水和垃圾填埋场渗滤液[2]、[8]。最近，HSBRO还被用于从汽车行业电镀废水中回收有价值的溶质（如铬）[6]、[9]、[10]。
传统连续式RO的能源效率受到RO模块内通量不平衡带来的效率低下的影响。半批式、批式和HSBRO工艺通过使用循环流来平衡模块内的通量和溶质浓度，从而降低了这些效率问题[11]、[12]。这些工艺是循环式的，而不是连续式的，因此在每个循环过程中压力会变化，从而实现了更低的时间平均压力和更低的能耗。理想化的比较表明，批式RO可以在原理上接近脱盐的热力学极限效率，优于半批式RO和多级RO[13]、[14]、[15]、[16]。然而，批式RO需要一个较大的加压容器（即热交换器），其尺寸在高水回收率时显著增加。这一缺点促使人们开发了紧凑且节能的混合半批/批式RO（HSBRO）作为替代方案[4]。
在一项实验研究中，比较了批式、半批式和HSBRO三种方案：使用微咸水（5克/升）进行了淡化处理，水回收率达到了94%[17]。在其他条件相同的情况下，将半批式RO改为HSBRO后，应用压力和液压能耗分别降低了42%，并且仅使用了体积为40升的热交换器。在每个循环中，系统产生了250升渗透水和16升盐水。如果使用非混合式批式RO系统来实现同样的渗透水量，则需要一个体积大得多的热交换器（250升），这会导致热交换器的尺寸比RO模块本身大六倍左右，从而使系统变得笨重且昂贵。此外，连接热交换器所需的额外管道长度和体积会增加一些损失，这些损失可能会抵消非混合式批式RO的理论优势。当水回收率超过90%时，考虑到所有损失后，HSBRO的效率优于半批式和批式方案[4]。
尽管HSBRO在高回收率海水淡化方面具有优势，但迄今为止实际建造的系统仍然很少，相关研究也相对较少。表1总结了同行评审学术文献中的主要研究。在已确定的九项研究中，只有七项包含了实验工作，且仅涉及两个实验室（一个在英国，一个在韩国）开发的三种不同的HSBRO系统。此外，还有一些商业系统已经进行了试点测试，例如在德国的金属电镀行业[10]。这与全球数以千计的传统RO装置及其丰富的相关文献形成对比，表明HSBRO仍然是一个处于发展初期的领域，仍有很大的研究和开发空间。
由于HSBRO依次经历半批式和批式两个阶段，因此对任一阶段的改进都能直接提升其性能。专注于能源效率的研究将HSBRO的能耗分解为不同操作阶段的能耗。例如，Hosseinipour等人的实验发现[19]，半批式阶段约占总能耗的三分之二，表明对该阶段的改进将具有特别大的影响。
在这些改进措施中，戴维斯最近的一项研究[20]提出了一种新的HSBRO配置：在半批式阶段，热交换器被放置在进料混合点的上游，而不是之前的下游位置。预计这种配置会在半批式阶段进行过程中，RO模块内的浓度和压力上升速度更慢。这是因为在RO模块之前的混合点处，进料液的稀释作用降低了进入模块的平均浓度，从而减少了所需的驱动压力和能耗。随着水回收率和浓度因子的增加，上游和下游配置之间的压力差异也会增大。对包含两个RO单元的系统的建模预测，在浓度因子为35（即回收率约为97%）时，总体能耗可节省高达9%[20]。虽然该研究提出了上游配置，但仅限于理论建模。本研究首次进行了实际配置比较，超越了理论中的一些简化假设，如热交换器内的混合均匀性和RO模块内的线性浓度分布。因此，当前研究的第一个目标是利用适当修改的HSBRO系统，弥合理论与实验验证之间的差距。
如表1所示，同行评审文献中报道的实验HSBRO系统的容量有限，每天不超过约20立方米。与工业海水淡化相比，商业工厂通常每天可生产数千甚至数十万立方米的水[21]。为了扩大HSBRO的应用范围，了解其在不同系统规模下的性能非常重要。此前只有一项建模研究考虑了HSBRO的放大问题，且未采用所提出的上游配置[22]。该研究指出，随着串联RO单元数量的增加，循环泵对能耗的贡献比例也在增加，因此循环流量和泵效率成为放大的关键因素。因此，当前研究的第二个目标是提出改进的放大模型，比较上游和下游配置，并优化循环流量。
高压RO膜的发展进一步增强了HSBRO的优势。虽然HSBRO降低了平均循环压力和能耗，但压力峰值仍然与传统RO相同。水回收率仍受限于膜抵抗高压下压缩并保持完整性的能力。目前的螺旋缠绕RO膜在传统海水淡化中的应用压力约为80巴，某些新型特殊膜可承受的压力高达120巴。虽然也有能在150巴压力下工作的Disc膜，但它们的面积远小于螺旋缠绕膜[2]。
除了各种旨在使膜系统能够处理高盐度进料的技术（如渗透辅助RO[23]或低盐排斥RO[7]、[24]、[25]）外，高压RO膜和组件的出现对于提高水回收率和盐水浓缩度至关重要[7]、[26]。例如，吴等人[27]最近报道了一种交联薄膜复合膜的开发，该膜采用聚酰胺活性层支撑在聚酰亚胺基膜上，能够在实验室条件下承受高达200巴的压力。表1中的所有实验研究均使用了商用螺旋缠绕RO模块（工作压力≤120巴）。在未来几年，预计能够承受150巴甚至200巴压力的超高压螺旋缠绕膜将实现商业化。因此，本研究的第三个目标是利用这些先进膜的预期性能来模拟上游HSBRO配置的性能。
本文的结构如下：首先，我们简要介绍了解释实验结果所需的理论要点。然后，在实验部分，我们介绍了能够在上游和下游模式下运行的改进型HSBRO系统。我们首先展示了仅使用半批式阶段的实验，以验证理论的正确性。接着展示了完整HSBRO循环的实验结果。在建模部分，我们预测了最多包含七个RO单元以及工作压力高达200巴的膜的性能。
