综述：在流体-固体耦合系统中，海水淡化膜的机械降解与结构失效现象

《Desalination》：Mechanical degradation and structural failure of desalination membranes in fluid-solid coupling systems

　　

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  TFC膜在超过120巴的高压反渗透（RO）条件下会面临结构故障。
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  降解阶段包括：弹性应力、粘弹性蠕变和塑性断裂。
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  多孔支撑材料的持续压缩会降低膜的渗透性。
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  间隔件的压花和残余应变会导致不可逆的塑性断裂。
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  通过3D间隔件优化膜的结构可以提高其韧性。

引言

随着水资源短缺的加剧以及对最小化或零液体排放（ZLD）策略的兴趣增加[1], [2], [3]，反渗透（RO）技术正从传统的海水淡化扩展到高盐度盐水的浓缩领域。传统的海水RO（SWRO）通常在约55–80巴的压力下运行，具体压力取决于进水盐度、回收率和模块设计[4]。相比之下，高压RO（HPRO）的工作压力高于SWRO，而超高压RO（UHPRO）可以达到或超过120巴；渗透辅助RO（OARO）则使膜的两面都暴露在盐溶液中，并产生液压与渗透压力差； batch或半batch RO系统则引入了变化的盐度和重复的加压过程[5], [6], [7], [8], [9]。这些配置改变了作用在膜上的机械边界条件：跨膜负载的幅度、持续时间和周期性与传统稳定SWRO不同，进水间隔件和渗透载体传递的应力也更加重要。因此，膜本身不仅作为选择性传输界面，同时还作为模块内的机械支撑层结构[10], [11]。在比传统稳定SWRO更大的负荷、更长时间的负荷或更频繁的循环负荷下，膜的机械降解问题变得越来越重要，因为支撑材料的压缩、间隔件或载体的侵入以及回收不完全会直接降低膜的渗透性或破坏活性层的完整性。

更广泛的综述研究了受压力和渗透驱动的膜过程和材料[12], [13], [14]，而关于膜耐久性的研究主要集中在污染、结垢以及表面或界面优化方面[15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23]。这些话题仍然很重要，但它们本身不能解释压力依赖性的渗透性损失、残余厚度的减少、间隔件压花现象或选择性层受损后的突然通量下降[24]。关于机械问题的证据分散在压缩实验、原位成像、接触力学分析、流体-结构相互作用模拟、拉伸测试和模块规模研究中；此外，文献并不总是区分主要可恢复的弹性变形、时间依赖的粘弹性响应和不可逆的结构损伤。因此，需要按照响应机制和证据类型对现有数据进行综合分析，以提供一个补充的机械视角，而不仅仅是污染机制的综述。

这一机械视角在实际应用中的重要性在HPRO中尤为明显。最近的一项模块级建模和实验研究表明，HPRO的水渗透系数（A值）的上限为1.35 L·m^-2·h^-1·bar^-1，而SWRO的这一值约为3 LMH/bar。然而，在130巴压力下使用70克/升NaCl进水的12种最先进的商用RO膜，其A值仅为0.34–0.87 LMH/bar。同一研究预测，将A值从0.45提高到1.35 LMH/bar可以在50%的回收率下将能耗降低23%[25]。实际上，这一预测的能量效益只有在长时间压缩过程中保持膜的渗透性和选择性时才能实现。图1展示了传递这些负荷的螺旋缠绕模块（SWM）的结构。

在这种模块结构中，薄膜复合（TFC）膜的机械脆弱性源于其不对称和异质的多层结构[26], [27], [28], [29]。超薄的、高度交联的聚酰胺（PA）层提供了离子选择性，但在底层支撑材料变形后对局部拉伸或弯曲应变的耐受性有限。多孔聚砜（PSf）层在活性层下方提供了低阻力的传输路径，但其高度孔隙化的结构容易发生孔洞塌陷和时间依赖的蠕变。非编织聚酯背衬提供了宏观增强，但其应力传递方式取决于其纤维结构和渗透载体的几何形态。由于这些层在厚度、刚度、孔隙率和水合作用响应上存在差异，因此名义上的均匀进水压力并不一定能产生均匀的应变：支撑材料的压缩、界面剪切以及PA层的局部弯曲或拉伸可能同时发生[30], [31], [32], [33], [34]。在SWM中，离散的进水间隔件和渗透载体接触会进一步集中应力到小区域内[35], [36]。这种结构解释了为什么整体渗透性可能会因支撑材料压缩而下降，但不会出现立即的通量阻断，而局部变形传播到PA层则可能导致开裂、分层和盐分的增加。这些全局和局部的机械响应在图2中进行了总结。

这种不对称结构的机械后果取决于压力范围以及膜在模块内的支撑方式。表1总结了咸水RO（BWRO）、SWRO、HPRO和UHPRO膜的代表运行压力和水渗透率范围，以及报告的主要机械失效问题；这些类别是针对具体应用的，不应被视为普遍的压力建议。在BWRO和SWRO条件下，多孔支撑材料的时间依赖性压缩会降低水的渗透性，而在间隔件或渗透载体接触区域可能发生局部变形。在HPRO和UHPRO条件下，持续的较高负荷会加剧支撑材料的压缩和渗透载体的侵入，当这种变形传播到PA活性层时，盐分的阻断性能会下降。因此，全局压缩和局部损伤应被视为可能同时存在的现象，其相对重要性取决于膜的结构、压力、加载持续时间和支撑材料的几何形状。

在这一应用背景之下，本文旨在补充现有的关于污染控制、膜传输和性能表征的文献[44], [45], [46], [47], [48]，特别关注聚合物淡化膜中的机械降解和结构失效问题。证据根据响应机制和证据类型进行了组织（图2、图3）：初始加载时的弹性应力局部化（主要表现为可恢复的接触变形）；持续或循环加载下的时间依赖性粘弹性压缩；以及当局部材料或界面阈值被超过时的不可逆变形和损伤。图2总结了这些响应的多尺度结构表现，而图3展示了随着局部应力、暴露时间和加载历史增加，这些响应的概念性进展。

章节摘要

弹性应力局部化

在初始加压过程中，名义上的跨膜压力（TMP）作用于水合的聚合物膜上，其位移受到周围间隔件和载体几何形状的限制[49], [50], [51], [52]。立即产生的机械响应主要包括弹性弯曲、局部压痕和未受支撑开口处的侵入。由于这些几何约束是空间离散的，即使在恒定压力下，最终形成的应力和变形场也是不均匀的。

粘弹性压缩

在初始的瞬态弹性局部化和几何侵入之后，聚合物分离膜在恒定操作压力下的物理演变进入了一个持续阶段[88]。聚合物材料并不是理想的胡克固体，而是表现出粘弹性特性。宏观变形不是在加压瞬间就固定的常数值，而是随时间变化，因为聚合物链具有特征性的松弛时间。

不可逆变形和损伤

随着机械应力的持续施加和粘弹性压缩过程中残余变形的积累，聚合物分离膜的物理响应可能会从主要的时间依赖性压缩发展为不可逆的变形和结构损伤[125], [126]。这里的残余变形指的是卸载后仍然存在的应变、厚度变化或压花现象，而塑性变形表示永久性的变形。

结论与展望

随着HPRO将RO技术应用于更高的水压，以及OARO引入双向盐流和液压与渗透压力差，机械稳定性成为高回收率和盐水浓缩系统中膜长期性能的重要限制因素[154], [155]。本综述总结了TFC分离膜在极端流体动力载荷下的机械降解和结构失效机制。

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，这些关系可能会影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（批准号：2024YFB3409001、2024YFB3409000）、国家自然科学基金（批准号：12302217）以及广东省基础与应用基础研究基金（批准号：2026B1515020082、2025A1515011982）的支持。

Linghu Xiong|Qing Liu|Pei Wang|Guangming Li|Ziming Lei|Ziai Liu|Xiaoqing Zhang|Wei Yuan