机械方法可更有效地清洁淡化膜燕尾服

机械方法可更有效地清洁淡化膜

过滤膜对世界范围内的众多行业至关重要。它们由纤维素，石墨烯和尼龙等多种材料制成，是将海水变成饮用水，分离和加工牛奶和奶制品以及从废水中吸收污染物的屏障。它们是这些行业和其他行业的一项必不可少的技术，但困扰于阿喀琉斯之heel：污垢

当颗粒随时间流逝沉积在过滤器上时，就会发生膜污染，从而堵塞系统并限制其有效性和效率。这些膜的清洁或除垢工作通常依赖于化学过程，在该过程中，将合成溶剂泵送通过该膜以冲洗系统。然而，这导致生产率和利润的损失，同时增加了与废物处置有关的环境和工作场所安全性问题。

即将解决这一挑战的解决方案。麻省理工学院机械工程系的一组研究人员在麻省理工学院的Abdul Latif Jameel水和食品系统实验室（J-WAFS）的种子资助下找到了替代方案。他们的解决方案是通过在流体和结构动力学方面具有专业知识的研究人员之间的独特合作开发的。

该团队开发了一种新颖的系统，该系统可以通过控制变形来机械清洁膜。他们的新方法是最早将膜和机械技术结合起来的方法之一，与传统的膜清洗技术相比，它具有价格更低，速度更快，对环境更友好的潜力，并且有望彻底改变我们对过滤的看法。

Omar Labban博士说：“结垢是膜所面临的最大问题。能够解决这个问题将是每个人的游戏规则改变者。” 机械工程系的'20，是发表在《膜科学杂志》上的一篇新论文的联合主要作者。

两名机械工程教授看到了将他们的专业领域整合在一起的潜力，这项工作就开始了。阿卜杜勒·拉蒂夫·贾米尔（Abdul Latif Jameel）的水与机械工程学教授，J-WAFS主任约翰·利恩哈德（John Lienhard）与机械工程学教授赵宣和，乔治·N·哈索普洛斯大学教职研究员联手。Lienhard是净水和海水淡化领域的国际专家，而Zhao则专注于软材料领域。

利恩哈德说：“诸如膜结垢之类的现实世界的问题，本质上是跨学科的。” “在这种情况下，我们既面临着软物质力学问题，也面临着膜脱盐问题。我们的团队通过一项可靠的实验计划，将这些截然不同的知识相结合，从而实现了对环境更有益的清洁工艺。”

2021年2月，该期刊将详细介绍团队新方法的论文选为编辑选择文章。论文的共同作者Lienhard，Zhao和Labban也由共同主要作者和推动这项工作的核心研究团队成员加入，Grace Goon博士 航空航天系'20以及曾任访问学者和机械工程研究生的Zi Hao Foo。

过滤的“致命弱点”

结垢是颗粒沉积在膜表面上的过程。尽管它发生在任何膜过滤系统中，但结垢对于脱盐特别麻烦。作为过程的输入，海水中所含盐量远远超过了需要清除的盐量。从细菌到有机物质和矿物质的污垢都可以非常迅速地积聚在反渗透膜上。一旦膜被堵塞，它们的效力就会降低，从而限制了可产生的净水量以及最终产品的纯度。

不幸的是，当前的清洁解决方案并不理想。用化学品清洁用于脱盐的膜，这将花费时间，金钱和资源，而使过滤设备无法运行。海水淡化厂的操作员通常必须停止生产，以在每个清洁周期中冲洗系统几个小时。对于乳制品行业，操作员每天需要多次清洁膜。

用于冲洗系统的化学混合物通常是专有的，对某些国家和城市来说，使海水淡化变得昂贵得令人望而却步。对环境的影响也很大，因为工厂必须找出如何处置大量化学废物而不会引起生态和毒理学问题。

控制该膜两侧的压力可使污染物层剥离并洗掉。图片来源：麻省理工学院

携手合作，寻求更清洁的解决方案

受效率，负担能力和环境可持续性的激励，研究团队寻求开发一种由力学原理支持的无化学物质的解决方案。核心研究小组成员Goon讲述了早期的事情，当时该小组探索了各种振动方法（包括立体声系统），以将污垢层从膜上甩掉。从那里开始，他们继续进行实验，通过改变膜两侧的压力来减弱粘结的碎屑。最终，他们能够使层剥落。

他们的解决方案依赖于一种称为膜污物界面疲劳的现象。通过细微的压力变化，该团队能够逐渐减弱并逐渐使结垢的结合层变形，直到可以将其冲走为止。Goon说，由于膜的易碎性，以前的研究偏离了这种方法，“但是我们已经证明，如果能够正确地控制它，就可以避免损坏膜”。最重要的是，该方法可用于工业标准的螺旋缠绕式膜组件，其中紧密间隔的膜层对其他机械清洁方法构成了挑战。

尽管可能需要传统的化学清洗工艺来补充此机械解决方案，但是这种新方法可以减少用户对化学清洗的依赖，这可以使工厂操作员从多种方面受益。该小组的计算表明，清洁的关闭时间将减少六倍。随着工厂倒水次数的减少，系统产生的净水总量会增加。“您将节省成本，将使工厂运转得更多，您将获得更多的产出。当清洁不再成为操作员的负担时，系统将在运行中处于更好的状态。长期而言。” Labban解释说。

这些改进为生产者和消费者都带来了实实在在的利益。在现场研究期间，该团队探索了该技术的市场潜力，并与许多行业的工厂运营商进行了交谈，他们对清洁过程的繁琐性质感到沮丧。研究小组估计，仅就乳业而言，已经面临大流行带来的利润减少的风险，研究小组估计，转向机械清洁可以将清洁成本降低一半。

该技术建模的独特的膜技术和机械工艺技术相结合，提供了脱盐领域中许多人认为不可能的解决方案。Labban谈到开展多学科合作的机会时说：“突然之间，您能够取得比以前更大的成就-您可以实现的影响和改变会变得更大。”

该项目不仅汇集了机械工程系和航空航天系的两个专业。通过麻省理工学院的本科生研究机会计划，加布里埃尔·恩斯（Gabrielle Enns），安妮托瓦内特·菲格罗亚（Annetoinette Figueroa），拉娜·科托宁（Lanna Ketonen），汉娜·玛哈菲（Hannah Mahaffey），布莱恩·帕迪拉（Bryan T. 每个团队成员带来的独特视角有助于在实验室中培养创造力和友爱精神。

由于跨学科研究团队采用的开箱即用的方法，传统的筹资机制在这项工作中不那么容易获得。这就是J-WAFS种子拨款如此有影响力的原因。Labban说：“没有J-WAFS，这项工作就不会发生。” 这笔赠款使研究团队能够将挑战作为主要的研究催化剂，而不是局限于特定的技术过程或结构化结果。这为团队提供了自由利用跨部门协作的优势，这种跨部门协作以更好的过滤策略为名，使力学和膜研究得以融合。

当前的论文主要研究有机污垢，该技术仅在少数行业得到评估。但是，展望未来，该团队很高兴能够通过在能源和农业领域等各个领域应用该方法来扩展其研究范围。只要使用膜，就需要清洁它们。Labban说：“我们很高兴能解决膜和淡化的主要瓶颈。” “没有比这更具挑战性的东西了。”

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