清华大学黄霞团队WR综述：水处理用卷式膜组件进水隔网的作用与性能优化
The following article is from 环境人Environmentor Author 黄霞团队
第一作者：林炜琛
通讯作者：王小𠇔，黄霞
通讯单位：清华大学环境学院
论文DOI：10.1016/j.watres.2021.117146
图片摘要
成果简介
近日，清华大学环境学院黄霞教授团队在环境领域著名学术期刊Water Research上发表了题为 “Roles and performance enhancement of feed spacer in spiral wound membrane modules for water treatment: A 20-year review on research evolvement”的长文综述，对过去20年间关于卷式膜组件中进水隔网的研究进行了全面的综述，剖析了20年间该领域研究关注点的转变，系统性总结了该领域的研究方法和研究进展，分析了进水隔网如何通过影响流道内的水力学进而影响膜组件的性能以及可能的优化措施，并指明了该领域目前的研究不足和未来的研究方向。
引言
纳滤（NF）、反渗透（RO）卷式膜元件被广泛运用于海水及苦咸水淡化、城市污水处理与回用等领域。进水隔网（feed spacer）是卷式膜元件中必不可少的部分（图1），通常为双层细丝彼此交叉形成的菱形网状构型。它可以隔开膜片、形成流道，增强流体湍动和传质，减小浓差极化。然而，进水隔网的存在使得流道压降差（FCP drop）升高，过高的压降差不仅会提高能耗，而且在长期运行中会使得膜元件受损。此外，隔网的网丝结点处易形成“死区”，导致微生物淤积和污染。过去20年间，研究者们对进水隔网的研究主要集中在：（1）认识进水隔网对于流道内流体状态、传质、压降差和膜污染的影响；（2）优化进水隔网的几何构型和材质，以提升膜元件的水力学性能和抗污染性能。本文首次对过去20年卷式膜组件进水隔网的研究进行了系统的梳理，采用文献数据分析识别出三个主要的发展阶段，分析了研究重点随时间转变的原因，并对未来的研究方向进行了展望。
图文导读
对Web of Science获取的主题为“ feed spacer”和“ membrane”、时间跨度为2001-2020年的文献进行文献计量学分析，可以发现在过去的20年里，该领域的文章和专利发表的数量均呈上升趋势（图2A和B）。在早期，产业界更早意识到进水隔网对膜元件性能的重要影响，申请了一些相关专利。随后，学术界也针对进水隔网开展了更多的研究，尤其是2009年以来取得了快速的发展。在涉及的膜工艺中，针对高压驱动膜（RO和NF）的研究所占比例最大，膜蒸馏（MD）、电渗析（ED）和正渗透（FO）近年来也受到了较多的关注（图2C）。该领域的发文国家主要集中在荷兰、沙特阿拉伯和美国，且三国之间呈现出密切的合作关系（图2D）。对所有文献的关键词进行聚类分析和词频统计，发现过去20年的研究可以分为三个发展阶段（图3）。在第一阶段（2001-2008年），研究者主要关注进水隔网的水力学性能（如传质和压降）。在2009年，Johannes Vrouwenvelder等在Water Research上发表了一篇经典的、具有分水岭意义的文章，指出进水隔网和流道对于膜元件中生物污染的发生起到了至关重要的作用。此后的第二阶段（2009-2015年），对于进水隔网的研究快速发展，并且研究重点集中在生物污染上。在第三阶段（2016-2020年），由于高精度3D打印技术的不断成熟，越来越多研究者开始进行新型进水隔网的设计与开发，以提升膜元件的水力学性能和抗污染性能。
图1 卷式膜元件内部结构示意图。进水隔网（feed spacer）是隔开膜片、形成流道的重要结构。
图2 基于Web of Science获取的主题为“ feed spacer”和“ membrane”、时间跨度为2001-2020年的文献计量学结果。（A）每年相关文章发表情况；（B）每年相关专利授权情况；（C）发表文章中所涉及的膜工艺种类分布；（D）主要发文国家及其合作关系。
图3 对过去20年所有以“ feed spacer”和“ membrane”为主题的文献中的关键词进行聚类分析和词频统计。所有文献可以聚类成三类，并且呈现较为明显的分阶段发展特征，三个阶段对应的关键词分别为“流体力学”、“生物污染/生物膜”和“3D打印”。表明研究重点从第一阶段（2001-2008年）的流体动力学，过渡到第二阶段（2009-2015年）的生物污染，再到第三阶段（2016-2020年）的新型隔网设计与优化。
本文首先总结了该领域常用的研究方法，包括水力学实验、膜污染实验和计算流体力学（CFD）模拟。水力学实验和膜污染实验主要采用错流过滤装置（图4A），且保证进水隔网与膜面紧贴，以更好地模拟流体在卷式膜组件中的行为。流道压降差（FCP drop）是衡量进水隔网性能的重要参数，也是水力学实验主要的测试指标之一，对其的测量也从最初的U型管到如今的高精度压差传感器。膜污染实验主要指生物污染实验，近些年研究者们开始更多关注流道内生物污染的动态发展过程，这得益于实时原位观测技术的发展，如PIV（图4B）、OCT（图4C）、NMR等，其中NMR已可以被运用于工业级别的卷式膜组件中流态和膜污染的实时原位观测。CFD模拟也历经了从早期的简单流态模拟，到后来耦合了传质、无机污染甚至生物污染的复杂模型的变化，模型的验证主要通过流道压降差的测定或和原位观测的流场进行比对来完成。
图4 （A）错流过滤装置（Lin et al., 2020）；（B）颗粒成像测速（PIV）系统（Haidari et al., 2016）；（C）光学相干断层扫描（OCT）系统（Gao et al., 2013）。
进水隔网对膜元件水力学性能的影响与进水隔网的几何特征密切相关。在一定尺度的流道内，流场具有周期重复性，高流速区域往往分布在流体流经网丝处，低流速区域则主要出现在网丝结点的下游处。进水隔网的网格宽度与网丝直径的比例（l/d）越大，流道内的平均壁面剪切力越小，低剪切力的区域往往分布在隔网网格单元的中间区域及网丝与膜面接触的区域。流道压降差主要是由进水隔网产生的粘性阻力、形阻力和主体溶液流向变化（如在Zigzag型隔网流道中）所导致的。进水隔网的网格宽度、网丝直径、网格夹角、流攻角等均会影响水力学性能。
在2009年以前，研究者们往往只关注膜面污染的问题，而未对隔网污染做深入的探究。事实上，隔网污染会对膜元件性能的下降产生重要的影响。Johannes Vrouwenvelder等发现当生物污染发生在进水隔网上时，流道压降差会增加到初始的4-5倍，这会削减驱动力，降低膜通量（Vrouwenvelder et al., 2009）。从生物污染的空间分布（图5）和随时间的动态发展（图6）来看，流道内生物污染首先会发生在进水隔网上，尤其是网丝结点附近的流动“死区”。可以看到，进水隔网是通过对流场的改变来影响生物污染的发生和分布。传统上认为，高错流速度和高剪切力可以减轻膜污染。但是部分研究者发现，尽管高错流速度有助于生物膜脱落，但相同时间下也带来了更多的营养组分，这有助于微生物的生长。同时，由于生物污染发生时流道压降差会显著上升，在高错流速度下更加显著。因此，当生物污染为主导时，宜采用较厚的进水隔网，以适当降低错流速度。但是低错流速度下易导致无机污染（结垢），而高错流速度下则不易发生，因此当无机污染为主要污染类型时，宜采用较薄的进水隔网。目前，在国外某些地区的实际多级膜处理过程中，往往在前端生物污染较重的膜元件中采用较厚的进水隔网，而在后端无机污染较重的膜元件中采用较薄的进水隔网。
图5 生物膜在流道内的空间分布。（A）长期运行的膜元件（Tran et al., 2007）；（B）CFD 模拟生物污染的分布（Picioreanu et al., 2009）；（C）实验室错流过滤下的生物污染（Ngeneet al., 2010）。
图6 生物膜在流道内的动态发展过程。（A）NMR速度成像，黑色区域指示生物膜的积累（Vrouwenvelder et al., 2009）；（B）&（C）OCT 观测（West et al., 2016; Fortunato et al., 2017）；（D）氧气浓度下降速率指示生物污染分布（Farhat et al., 2015）。
近些年，研究者们在进水隔网的改进上做了一些尝试和探究，主要包括：（1）改进表面材质。例如，在进水隔网表面进行亲水改性、涂敷抗菌组分等。（2）优化几何构型。例如，采用高精度3D打印技术制造新型构型的进水隔网（图7）。虽然这些改进大多在实验室取得了良好的水力学性能和抗污染性能，但考虑到实际应用，还存在诸多问题。例如，涂覆层组分在长期运行中的稳定性以及有毒物质泄露到环境的风险；3D打印技术的规模、打印速度和成本问题；新型构型能否适用于卷式膜元件和长期高压条件等。德国Lanxess 公司开发的ASD（alternating strand design）进水隔网可能是更适用于实际的新型构型；Lin等在2020年Water Research上发表的文章（清华大学黄霞团队WR：变径网丝进水隔网几何特征对膜元件的水力学和抗污染性能的影响探究）也指出变径网丝构型进水隔网在水力学性能和抗污染性能上具有优势，今后可以在此基础上开展进一步的优化。
图7 各种通过高精度3D打印制造的新型进水隔网。
小结
本文对过去20年水处理领域卷式膜组件进水隔网的研究进行了全面的综述，主要结论如下：
（1）水力学实验、膜污染实验和CFD模拟相结合的研究方法可以更好地探究进水隔网对膜元件的水力学性能和抗污染性能的影响。
（2）进水隔网的构型对流场具有重要的影响。其增强了流道内的平均壁面剪切力和传质，但也导致流道压降差的升高和局部的流动“死区”。因此，对进水隔网的优化很有必要。
（3）进水隔网的构型和水力学条件对生物污染有重要影响，应更加关注隔网污染的问题。
（4）改进表面材质和优化几何构型是进水隔网优化的两个主要手段。在长期运行过程中，涂覆层组分的稳定性以及新型构型的实用性仍然是未来需要解决的问题。
本文也对未来该领域的研究方向进行了展望和建议：
（1）推动进水隔网性能评价体系的标准化。
（2）增进流场变化与膜污染之间联系的认识。
（3）设计开发能真正运用于实际膜元件且能提高膜元件水力学性能和抗污染性能的新型进水隔网。
（4）开展用于饮用水处理的卷式膜元件中进水隔网的研究。
（5）开展进水隔网对于有机污染控制的研究。
（6）开展产水隔网（permeate spacer）的研究。
作者简介
第一作者：林炜琛，本科毕业于清华大学环境学院，现为清华大学环境学院2017级直博生，导师为黄霞教授，研究方向为污水资源化、膜法水处理、膜组件优化。以第一作者（含共一）在Water Research、Environment International、Journal of Membrane Science等知名期刊发表SCI论文多篇。联系邮箱：lwc17@mails.tsinghua.edu.cn
通讯作者：王小𠇔，博士，清华大学环境学院副研究员，博士生导师。研究方向为膜法水处理技术和工艺、微量有机物控制和饮用水常规处理工艺深度除浊。主持和参与国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点课题、国际合作项目及国家“水专项”课题多项。以第一作者或通讯作者发表SCI论文近50篇，获国家发明专利授权多项。联系邮箱：wangxiaomao@tsinghua.edu.cn。
来源：黄霞团队 环境人Environmentor
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