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近日，我院杨志峰院士团队王樟新教授课题组提出了一种新型的产水加压膜蒸馏操作模式（PDMD），通过产水侧的压力，有效地缓解了膜润湿的问题。此外，团队还提出了一种基于阻抗的液体进入压力测量方法，保障了该操作模式的顺利运行。该论文发表在ACS ES&T Engineering上，我院博士研究生冯德俊为文章的第一作者，我院陈袁妙梁博士、王樟新教授为共同通讯作者。

作为一种新兴的热法脱盐技术，膜蒸馏（MD）在废水处理领域受到越来越多的关注。在典型的膜蒸馏系统中，微孔疏水膜是实现膜蒸馏过程最重要的部分，其不仅为水蒸气通过提供气隙通道，还能拦截水中的非挥发性污染物。在膜蒸馏分离过程中，膜两侧的温度差会使热水侧的水蒸气分压更高，热水侧较高的蒸汽压驱动水蒸气通过膜孔到达冷水侧，而进料中的盐离子和非挥发物质由于无法通过膜孔，被疏水膜截留在热水侧浓缩，理论上膜蒸馏过程脱盐率接近100%。膜蒸馏的优势也比较突出，其基本不受盐水浓度的限制，能利用低品位热能（如：工业废热和地热能）。此外，鉴于膜蒸馏较小的占地面积和出色的净化能力，有望应用于偏远地区的离网废水净化。

在膜蒸馏的实际应用中，微孔疏水膜面临着巨大难题——膜润湿。膜润湿是由于废水中的两性污染物降低了废水的表面张力，致使膜孔的液体进入压力（LEP）大幅下降，导致进料废水能够直接透过疏水膜进入到清水侧而使膜分离过程失效。因此，LEP是决定是否会发生膜润湿的关键参数，一旦跨膜压差（∆P）超过膜与进料溶液的 LEP，就会发生膜润湿。

为了解决膜润湿的问题，我院王樟新教授课题组提出了一种产水加压膜蒸馏（PDMD）的新型抗润湿策略，并开发了一种基于阻抗的 LEP 测量方法来辅助实现这一策略。传统的LEP测量方法存在局限性，我们提出了借助阻抗测量技术实现了所有液体的LEP测量，并验证了其有效性。此外，我们根据膜润湿的机理以及测量得到的LEP准确值，验证了产水加压膜蒸馏（PDMD）抵抗膜润湿的有效性。总而言之，我们的研究为膜蒸馏实际应用提供了一种简单有效的抗润湿策略。

图1.（A）基于阻抗的LEP测试装置示意图；（B）加压膜蒸馏（PDMD）装置示意图。

为了验证基于阻抗的LEP测量方法的可行性，我们把该方法与传统LEP测量方法进行对比。如图二，我们发现传统方法和基于阻抗的方法测量出来的LEP数值是基本一致的，这验证了基于阻抗的LEP测量方法是有效的。其工作原理如图2E 所示，在LEP值为正向的情况下，利用氮气在反方向施加压力。当施加的压力超过LEP时，乙醇溶液穿透膜孔，降低空气含量，从而降低膜阻抗。同样在LEP值为负向的情况下，借助氮气在反方向施加压力，可以防止乙醇溶液渗透到膜孔中。一旦施加的压力低于 LEP 的绝对值(即LEP低于施加的压力) ，乙醇溶液就会进入膜孔，由于空气含量降低导致膜阻抗下降。因此，通过监测膜阻抗在不同外加压力下的变化，基于阻抗的LEP测量方法可以准确测量低表面张力液体膜的 LEP值。

图2. 阻抗的LEP测量方法与传统LEP测量方法的对比。

然而，目前对于缓慢润湿的低表面张力液体（如：SDS溶液），传统的LEP测量方法无法准确测量（图3）。对于传统方法来说，LEP是在短时间内测量的宏观特征，因此它可以测量膜与低表面张力液体的LEP。与此相反，由于SDS诱导的润湿过程缓慢，润湿在短时间内发生的微妙变化过于微观，而传统方法无法捕捉。因此，传统的 LEP 测量方法无法测量缓慢润湿的低表面张力液体的疏水性膜的LEP。

图3. SDS溶液的LEP测量以及传统LEP测量方法的局限性。

SDS溶液基于阻抗的LEP测试结果与传统方法截然不同，可以发现在低浓度时，SDS溶液的LEP呈正向；提高浓度时，SDS溶液的LEP呈负向，与无跨膜压力的膜蒸馏实验结果一致。借助阻抗测试的结果，我们能够持续监测膜孔中空气含量的微妙变化。当 LEP 为正压时，SDS溶液无法渗入膜孔，膜孔内的空气含量保持稳定，因此膜阻抗不变。相反，在负压下，SDS溶液会自发进入膜孔，导致膜内空气含量减少，阻抗下降。因此，在测量LEP值时，SDS溶液渗透到膜中引起的空气含量的缓慢变化也可以通过阻抗法检测到。因此，基于阻抗的方法可以精确测量SDS溶液的疏水膜的LEP。

图4. 基于阻抗的LEP测量技术测量SDS溶液

根据SDS溶液的LEP测试结果，可以发现当使用高于LEP值的跨膜压力时，渗透侧的电导率值明显提高，表明发生了膜润湿；当使用低于LEP值的跨膜压力时，膜蒸馏则能稳定运行，未发现膜润湿。上述结果证实了在基于阻抗的LEP测量方法的辅助下，PDMD能够有效抵抗膜润湿。PDMD对润湿缓解的有效性可以用过MD中的润湿标准来解释，即一旦LEP低于ΔP，膜润湿就会发生。相反，当调控膜两侧压力，即使ΔP低于LEP时，可以有效避免膜润湿的发生。

图5. SDS溶液的加压膜蒸馏抗润湿实验。

在本研究中，我们提出了PDMD的抗润湿操作策略。为了保障PDMD的运行，我们开发了一种基于阻抗的LEP测试方法，可以测量膜与各种溶液的LEP。基于阻抗的LEP测试方法优于传统方法，在于它能捕捉到缓慢润湿过程中膜孔内空气含量的微观变化。根据准确的LEP值，我们通过PDMD调控ΔP低于膜与进料溶液的LEP时，可以成功避免各种润湿剂（如SDS 和乙醇）引起的膜润湿。