破解海水淡化中的石膏與矽垢難題

在膜法海水淡化技術中，礦物結垢是一個嚴重的問題，它不僅降低了水回收率，還影響了系統的整體效能。石膏和矽垢是兩種常見的結垢型別，它們的形成機制截然不同：石膏透過結晶過程形成，而矽垢則是透過聚合反應產生。這兩種結垢的行為也大相逕庭：石膏結垢具有快速的動力學特性和侵入性的晶體生長，會導致膜孔濕潤；而矽垢則形成高度黏附且不可逆的層狀結構。這些結垢對海水淡化效率的影響，凸顯了深入理解其形成機制和緩解策略的必要性。

2024年10月20日，亞利桑那州立大學和科羅拉多州立大學的研究人員在《環境科學與工程前沿》期刊上發表了一篇綜述文章。該研究詳細探討了膜法海水淡化過程中石膏和矽垢的不同行為及其緩解策略。研究深入分析了石膏和矽垢的結垢機制，提供了對其獨特行為的見解。石膏結垢是由硫酸鈣的結晶過程引起的，具有快速的動力學特性和定向晶體生長。這些大尺寸、高長寬比的晶體會侵入膜孔，導致膜蒸餾中的孔濕潤問題。有機汙染物的存在使石膏結垢更加複雜，因為某些物質可以透過吸附抑制晶體生長。

相比之下，矽垢是由矽酸的聚合反應產生的，形成無定形、黏附性強的垢層，在膜表面形成凝膠狀層，導致幾乎不可逆的通量下降。矽垢對膜表面特性的反應較弱，因此更難緩解。研究還概述了針對每種結垢型別的各種策略。對於石膏結垢，親水性聚合物刷和兩性離子塗層顯示出潛力，而矽垢則可能受益於修改膜表面電荷以促進靜電排斥。此外，研究還探討了使用防垢劑和電凝聚等預處理方法。

該研究的第一作者童鐵錚博士強調：「我們對石膏和矽垢的全面分析為開發更有針對性和高效的策略提供了基礎，以應對海水淡化中的礦物結垢問題。這項研究對於提高水處理過程的可持續性和效率至關重要。」這些發現對海水淡化行業具有重要意義，提供了可以幫助預防或緩解結垢的策略。透過調整膜表面特性、選擇合適的防垢劑和採用預處理方法，研究人員和工程師可以提高海水淡化效率並延長系統壽命。

這些進步不僅提高了水回收率，還為更廣泛的可持續水資源管理目標做出了貢獻，特別是在面臨水資源短缺的地區，確保了更高效和可靠的海水淡化過程。