J-WAFS 在行动： 良好的波动 – 降低水脱盐成本

Xuanhe Zhao 是麻省理工学院机械工程系 Noyce 职业发展教授，而 John Lienhard 博士是麻省理工学院的安利捷水和食品教授兼 J-WAFS 的实验室主任，他们领导今年上半年获得 J-WAFS 资助的 7 个研究项目之一。 Xuanhe 和 John 旨在开发无化学物、基于振动的膜清洗技术，可大大提高世界上最广泛使用的脱盐工艺的反渗透效率并降低成本。

Opening Doors 就该项目及其目标采访了 Zhao 教授和 Lienhardm 教授。

您的研究项目课题是什么？

该项目被称为 “用于反渗透膜防污的高效无化学物反洗策略”。

寻求应对的问题是什么？

水是我们生存的基础，但确保稳定可持续的淡水供应是一个巨大的挑战，特别是在像中东和北非 (MENA) 这样的缺水地区。

论上，地球上有足够的淡水来支持 70 亿人口，但是分配不均再加上消费模式低效就意味着越来越多的地区长期缺水，大量的水被浪费、污染或受到不可持续地管理。

据世界银行的数据，MENA 的一半以上人口生活在供不应求的 “缺水” 环境下[1]。也许对于包含世界 12 个最缺水国家的该地区而言，这并不值得大惊小怪，但是供需缺口之大触目惊心。

临势必加重的供水压力，外加人口增长和全球气候变化带来的负面影响，预计 2050 年 MENA 地区的人均水资源可利用量将减少一半[2]。

球在使用几种技术。这些技术使用脱盐技术来增加淡水供应。例如，阿联酋通过脱盐技术获取其 90% 的淡水。

球，最广泛使用的工艺是反渗透。我们的研究旨在开发新技术来显著提高反渗透工艺的效率，增强其可持续性并降低其成本。

反渗透？

渗透用于咸地下水淡化和海水淡化。它还被用作废水再利用系统的一个要素，并用于各种其他过程。

在反渗透期间，盐水在聚合物膜的一侧被加压，使得水通过膜而进入低压（纯水）侧。由于精心设计的膜表面化学性质，盐分无法通过膜。

存在与此相关的哪些问题？

们感兴趣的主要问题是膜污染。在操作中，会在膜的盐水侧形成生物活性物质组成的薄膜。此外，盐会在膜表面上结晶。两个过程都有效地 “堵塞” 膜，从而降低水从一侧向另一侧的转移，并导致更高的能耗和成本。所以控制它将非常重要。

物膜污染问题通常通过对进料给水进行广泛化学预处理来解决。但这样成本高昂、时间和能源效率低且不利于环境。此外，它不会完全根除膜污染，并且限制膜的寿命。因此，优选具有进一步延长膜使用寿命并降低操作和维护成本的无化学物质方法。

项目提议如何克服这些挑战？

们正在研究的方法是使用压力来振动膜。细菌使用叫做 “群体感应” 的东西来确定它们的数量是否足够形成一个菌落。振动会干扰 “群体感应”，防止细菌发育成生物膜。

通过对膜的一侧施加压力梯度来产生振动。另一侧，压力恒定。一侧的振荡梯度和另一侧的恒定压力之间的差异导致膜振动。这可以在常规脱盐过程中完成。

需要在实验室中进一步研究细菌如何粘附在膜表面以及振动如何影响细菌之间的交流。一旦我们成功，就可以将这些原理应用于现实世界。

的技术潜在益处是什么？

要益处在于降低反渗透工艺的维护和运行成本。清洁膜需要较少的停机时间，因为它们不会被生物膜污染，因此生产力更高：如果不必关闭该工艺来进行清洗，则可以在给定时间内产生更多的水。同时，您可以避免清洁过程本身所涉及的成本。无需进行膜防污也使得反渗透更容易处理您在海湾和世界其他地区发现的高咸度温水。

消费者也应该会受益，因为它应该会降低水费。目前，运营和维护费用约占反渗透厂的水成本的四分之一。膜清洁和更换占了成本的很大部分。如果我们能够降低这些成本，总生产成本就会大幅下降。

穿孔或某些物体透过的风险也将降低，因此水的质量也可能会提高。

本轮 J-WAFS 拨款将于 2019 年 8 月结束，届时您的研究能否完成？

的，我们认为该研究阶段（证明该假设）应该会完成。之后，我们发现进一步研究的潜力，从而可以改进工艺以及如何在商业上予以应用。

们项目的初始重点是反渗透膜防污，但是我们研究的范围和我们获得的知识也可以应用于生物污染构成问题的其他应用（如船体或医疗植入物），所以有显著的商业潜力。

1]《处于困境：气候变化、水与经济》，世界银行，2016 年 5 月。

[2] http://blogs.worldbank.org/arabvoices/numbers-facts-about-water-crisis-arab-world