仿心搏脉冲膜蒸馏的传热与传质特性研究

《Membranes》：Research on the Characteristics of Heat Transfer and Mass Transfer of Imitation Heart Pulse Membrane Distillation

　　

膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）作为一种分离技术，在海水淡化和高盐废水处理等领域引起了广泛关注。然而，传统稳态运行存在通量（flux）下降和膜污染问题，而标准方波和正弦波脉冲提供的强化效果和稳定性有限。为解决上述问题，本研究引入了仿心搏脉冲流（heartbeat-mimicking pulsatile flow）。研究人员通过对比（稳态vs.脉冲）实验、三水平正交实验（orthogonal experiment）以及多种进料溶液和改性膜的测试，评估了其对膜蒸馏性能的影响。结果表明，在基准条件下，仿心搏脉冲流比稳态流的平均通量高17.5%，而其电导率（conductivity）增幅仅为25%，远低于稳态流的93%。在正交实验中，仿心搏波形在所测参数中占总方差的比例最大（50.1%）。此外，与传统的正弦波或方波相比，这种仿生脉冲具有独特的加速-静止特征，对复杂进料溶液具有高度适用性，并能有效缓解膜污染。本研究旨在确定一种能够克服稳态膜蒸馏局限性的新型脉冲模式。

**研究背景与意义**

随着全球人口持续增长和工业化加速，淡水资源短缺已成为制约可持续发展的关键因素。膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）作为一种利用低品位热能的热驱动膜分离技术，具有操作压力低、截留率高、对膜材料力学要求相对较低等优点，在海水淡化和高盐废水处理领域展现出广阔应用前景。然而，传统稳态运行存在通量下降和膜污染等突出问题，而标准方波和正弦波脉冲提供的强化效果与稳定性有限。现有文献虽已成功探索了常规脉冲流，但针对具有独特加速-静止特征的仿生非稳态波形——如仿心搏脉冲流——在膜蒸馏中的水动力学应用仍缺乏系统性研究。此外，大多数膜改性研究均在稳态条件下进行，缺乏脉冲流条件下的系统性能比较，将动态流体剪切与静态表面化学相结合的研究尚属空白。因此，开展仿心搏脉冲流与膜改性协同作用研究，对于突破膜蒸馏的极化和结垢瓶颈具有重要意义。

**研究内容与总体结论**

研究人员设计了静息（A1）、运动（A2）和心律失常（A3）三种仿心搏脉冲波形，通过稳态与脉冲对比实验、L9三因素三水平正交实验，以及多种进料溶液（NaCl溶液和模拟苦咸水）和不同改性膜的测试，系统评估了仿心搏脉冲流对膜蒸馏传热传质性能的影响。研究发现：仿心搏脉冲流在基准条件下比稳态流平均通量提高17.5%，电导率增幅仅为25%；正交实验中脉冲波形占总方差的50.1%，为最大贡献因素；A2运动波形（高频短周期）表现最佳，最优组合为A2波形+80°C+60 g/L NaCl