同济大学研究团队在《Desalination》发表重要成果， 通过梯度泄压法首次实现对微气泡尺寸与浓度的精确调控 ，系统探究了不同特性微气泡在 直接接触式膜蒸馏（DCMD）中对无机及 复合污染的控制效果与机制，为高盐废水处理中膜污染的优化控制提供了新策略。
技术核心：微气泡的精确调控方法与实验系统
本研究旨在优化膜蒸馏（MD）过程中的污染控制。采用行恒科技的LF-1500微纳米气泡发生器， 研究创新性地采用梯度泄压法，通过调节气体流量和释放压力，首次在一定范围内实现了对微气泡（MBs）尺寸的调控。在高盐废水处理中，引入微气泡曝气已被证明在缓解膜污染方面具有潜力。
完整的MBs辅助DCMD实验装置示意图:
清晰展示了从微气泡生成、气液混合到膜组件反应的整个流程。用于调节不同阀门的物理示意图:
则说明了梯度泄压法的具体操作。
微气泡特性的优化与表征
研究通过控制气体流量（10-40 mL/min）和释放压力梯度（0.2-0.6 MPa），生成了具有不同浓度和尺寸的微气泡。在线成像技术直观展示了膜污染缓解中微气泡的尺寸分布:
- 增加气体流量：主要提高微气泡浓度。当气体流量从10 mL/min增至40 mL/min时，浓度从6.35×10⁴ /mL显著提升至1.58×10⁵ /mL。
- 降低释放压力：主要减小微气泡尺寸。当压力从0.6 MPa梯度降至0.2 MPa时，D50索特平均直径从64.69 μm减小至46.36 μm。
微气泡对DCMD传质传热的增强作用
引入微气泡提升了DCMD的传热与传质效率 。在不同操作模式下，引入微气泡后，膜通量平均提高约10%。理论计算表明，温度极化系数（TPC）和传质系数（k）均有一定程度的提升，尤其是在较高温度和流速下，传质系数提升了7%-9%:
这归因于微气泡扰动了进料侧的边界层，削弱了浓差极化效应。
不同特性微气泡的污染缓解效能
浓度对无机污染控制的角色
更高浓度的微气泡能更有效地缓解无机盐污染 。在处理50 g/L高盐溶液（含Ca²⁺、SO₄²⁻等）时，无微气泡条件下，运行8小时后归一化膜通量下降至68.35%。引入浓度为1.58×10⁵ /mL的微气泡后，归一化通量在8小时后仍保持在80.15%，水蒸气产量也得到提升:
扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）分析证实，更高浓度的微气泡使膜表面沉积的污垢更松散。
尺寸对复合污染控制的角色
更大尺寸的微气泡在缓解复合污染方面表现更优 。当进料液同时含有无机盐和腐殖酸（HA）时，污染更为严重。无微气泡时，8小时后归一化通量急剧下降至40.12%。在气体流量40 mL/min、压力0.6 MPa（产生较大尺寸MBs）的最佳条件下，通量衰减得到显著缓解，归一化通量维持在55.42%:
SEM-EDS分析显示，较大尺寸的微气泡使污垢层分布更分散，部分膜表面得以暴露。
污染缓解机制阐释
基于流体动力学分析，研究阐明了微气泡缓解污染的核心机制,机理示意图：
- 剪切力主导 ：更高浓度和更大尺寸的微气泡能诱导更强的气液两相流扰动，在膜表面产生更高的剪切应力（计算公式见原文式(5)-(7)）。这种剪切力是破坏污染层、延缓垢物在膜表面形成和生长的关键物理因素。
- 吸附作用有限：尽管微气泡表面带负电，可吸引Ca²⁺等阳离子，但计算表明其比表面积贡献的吸附作用在污染控制中占比较小。
- 综合效益：微气泡的引入以极低的额外能耗（约占总能耗2.5%），显著提高了系统的长期运行稳定性与通量恢复率。
结论与建议
本研究成功通过梯度泄压法调控微气泡特性，并得出核心结论：在DCMD处理高盐废水时，更高浓度和更大尺寸的微气泡能通过增强物理剪切作用，更有效地缓解无机及复合膜污染，从而提高膜通量和水蒸气产量。
- 最佳操作条件：气体流量40 mL/min，释放压力0.6 MPa。
- 技术优势：提供了一种无需化学药剂的绿色污染控制方法。
- 未来方向：需进一步量化微气泡在不同污染抑制机制中的具体贡献，并优化MB发生器与MD系统的操作参数，以推动该技术在工程实际中的应用。
文献来源 : Desalination584 (2024) 117751.
源文献链接 : https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117751
基金支持: 国家重点研发计划（2020YFC1908703, 2021YFC3200805）。
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