综述：膜蒸馏中克服浓差极化效应与膜污染的前沿方法：基于构型优化的视角

《Chemical Engineering Research and Design》：State-of-the-art Approaches for Overcoming the Polarization Effect and Membrane Fouling in Membrane Distillation: from the Perspective of Configuration Optimizations

　　

摘要
尽管膜蒸馏在处理盐水或海水方面已得到广泛应用，但它仍深受极化效应（即温度极化和浓度极化）和污染问题的困扰。这些缺点会大幅降低透过通量，并最终可能缩短膜的使用寿命。除了操控膜材料之外，优化操作配置或流道是解决上述问题的另一有效途径。大量研究致力于通过优化操作配置来缓解极化效应和污染。因此，本研究旨在总结关于操作配置优化的最新研究进展，如流量促进器、两相流和超声振动。所观察到的极化效应和膜污染的缓解，很大程度上源于近表面流动湍流增强和剪切应力增大，而这两者均由优化后的操作配置所促进。本综述从操作配置的视角为膜蒸馏的改进提供了深入的见解和有价值的指导。

引言
人类的生存从根本上依赖于水资源的可用性。人口的快速增长和社会经济的发展加剧了对淡水的全需求，从而在许多发展中国家造成了严重的供需短缺（Alvarez等，2018年；Cui等，2014年；Deshmukh等，2018年；Patel等，2020年；Politano等，2017年）。海水淡化从海水和含盐废水等含盐或污染的来源中回收淡水，被认为是应对淡水短缺的一种有前景的方法。海水淡化可通过各种技术实现，包括膜分离方法（如反渗透）和热分离过程（如多效蒸馏和多级闪蒸）（Deshmukh等，2018年；Patel等，2020年；Politano等，2017年；Senanayake等，2025年）。表1列出了现有淡化技术的比较。

与其他淡化方法相比，膜蒸馏（MD）具有多种优势，包括进料温度要求低、操作压力低以及极高的脱盐率。为了在膜蒸馏过程中维持足够的驱动力并获得高透过通量，进料溶液通常被预热至60-80℃（Santos等，2023年）。由于其疏水性和表面张力，膜阻止了液体穿透其孔隙。因此，只有挥发性蒸气分子能够穿越膜。在透过侧，挥发性蒸气分子随后积聚并发生冷凝。图1展示了MD的四种主要配置：DCMD、AGMD、SGMD和VMD（分别对应直接接触式、气隙式、扫气式和真空膜蒸馏）。

然而，膜蒸馏严重受制于极化效应和污染，这会严重恶化其透过通量和可靠性（Li等，2015年）。人们付出了巨大努力来克服极化效应和污染。现有的方法主要分为两类：膜材料的操控（Su等，2019年；Chen等，2021年；Rice等，2020年；Huang等，2017年）和操作配置的优化（He和Zhang，2020年；Li等，2019年）。在膜材料改性策略中，将光热纳米粒子引入膜基质中最近成为一种有前景的缓解温度极化的方法（Politano等，2017年）。与依赖进料溶液整体加热的传统MD不同，光热膜蒸馏（PMD）利用纳米材料（如碳基材料（炭黑、活性炭、碳纳米管）、等离激元金属（银、金）和半导体（如氧化锑掺杂锡、MXenes）等）将太阳辐射直接转化为膜表面的局部热量（Abd El-Fattah等，2025年）。这种界面加热在蒸发界面产生热驱动力，有效补偿了潜热移除引起的温度下降，从而缓解了温度极化（Ab等，2026年）。例如，在模拟太阳辐射下，炭黑涂层膜的蒸汽通量比原始膜提高了45-60%（Alshareef等，2026年），而PVDF/ATO纳米纤维膜的温度极化因子超过100%，表明有效抑制了温度极化（Huang等，2019年）。最近的综述系统总结了光热材料和PMD膜结构方面的进展（Ab等，2026年），强调了光热效率、材料稳定性和成本可扩展性之间的权衡。然而，膜材料改性策略的详细讨论超出了本综述的范围，本综述专门聚焦于操作配置的优化。一旦膜材料确定，操作配置的优化对于缓解极化和膜污染均是有利的。

因此，本文的目的是从操作配置优化的视角，全面且前沿地了解膜淡化在研发方面的最新成果。首先，深入阐述极化效应和膜污染的基本原理及影响因素。然后，全面综述现有的操作配置优化方法，如流量促进器、两相流和超声振动，以克服极化效应和膜污染。最后，讨论克服极化效应和膜污染的未来方向展望。大多数现有的MD综述聚焦于膜材料改性，如Janus膜和全疏膜，或特定的MD配置和操作参数优化。然而，尚无综述系统性地仅通过操作配置优化来缓解极化和污染，而不改变膜材料本身。本综述通过提供可在现有模块中实施的水动力学增强策略的统一分析来填补这一空白。流量促进器、两相流和超声振动被选为核心主题，因为它们具有三个重要特征。它们普遍适用于所有四种MD配置。它们通过共同的作用机理——增强近表面湍流和增加剪切应力——发挥作用。它们在实验室和中试规模均得到了广泛验证，且有充分记录的性能数据。新兴方法如光热增强、电辅助MD、旋转膜系统和振荡流虽然前景光明，但它们要么依赖膜材料改性，要么涉及专门的模块设计，超出了本综述的范围。通过保持这一聚焦范围，本综述是对现有文献的补充而非重复。

小节片段

极化效应与污染
膜蒸馏受到温度极化（TP）、浓度极化（CP）和污染的严重阻碍。这些问题导致透过通量低、耐久性降低和能耗增加。本节简要回顾了TP、CP和膜污染的基本原理及影响因素。

流量促进器
流量促进器被广泛用于改善进料流的湍流程度，减少极化效应并防止污染物沉积。流量促进器主要根据结构分为三类：支撑件、波纹进料通道/膜和挡板。然而，进料侧流动湍流的增强是以跨流量促进器更高压降为代价的。表3总结了2017年以来最近的研究……

两相流
向MD系统中注入气体可增强边界层内的流动湍流和剪切应力，从而促进传热和传质。这种曝气还增加了混合效果，同时缓解了TP和CP。此外，由此产生的二次流提高了膜表面附近的剪切力并抑制了污染（Yeo等，2007年；Ratkovich等，2009年）。以下总结了自2011年以来关于两相流在膜蒸馏中应用的最先进研究……

超声振动
超声（通常高于20 kHz）通过微小的机械运动传输高机械功率，并产生特殊的物理和化学效应。由于良好的方向性和穿透能力，超声被广泛应用于许多工程应用。超声产生机械振动、声流和空化气泡，可以有效缓解极化并防止膜污染（Zhang等，2019b）。本节……

三种策略的定量比较与耦合
在这三种策略中，超声振动产生的峰值通量提升最高，据报道在AGMD中处理反渗透浓水时，在30 W超声功率下提升高达400%，在相同条件下处理地下水时提升250%（Al-Juboori等，2021年）。然而，这一极高数值是在间歇清洗模式下实现的（污染发展35小时后应用15分钟超声），而非连续运行。对于连续运行，两相流……

MD过程优化中的计算方法
除实验研究外，计算流体力学（CFD）已成为一种理解并缓解MD过程中极化效应和污染的强大且日益不可或缺的工具（Chen和Wu，2021年）。与实验方法通常仅提供集总性能指标不同，CFD能够对膜模块内的局部温度、浓度和速度场进行详细可视化，提供难以获得的机理洞察……

总结
本工作批判性地审视了缓解MD中TP/CP和膜污染的策略，重点聚焦于优化系统配置。涉及了各种方法，如流量促进器、两相流和超声振动。讨论了这些方法的基本原理和性能增强。对现有方法进行了详细比较。主要结论如下：
（1）膜蒸馏严重受制于TP/CP效应和……

未来方向：从实验室原型到工业规模模块
尽管上述抗污染策略在实验室规模表现出令人鼓舞的性能，但其成功转化为工业实践需要仔细考虑模块几何形状、制造可扩展性和系统级集成。三种主要的工业相关模块配置——卷式、中空纤维和多级设计——各自呈现出必须在未来研究中解决的不同机遇和挑战。

卷式

CRediT作者贡献声明
黄晶：资源获取、项目管理、调查研究、资金获取、数据整理。黄阳：资源获取。董川帅：监督指导。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本项目得到了国家自然科学基金（NSFC）的支持，项目编号51906071和51936005。本项目还得到了广东省自然科学基金的支持，项目编号2019A1515011536。本项目得到了西北工业大学凝固技术重点实验室基金的支持（资助号SKLSP202412）。

黄晶 | 黄阳 | 董川帅
华南理工大学 化学与化工学院 增强传热与节能教育部重点实验室 广州 510640 中国