膜蒸馏结晶用于水和矿物回收:污水处理过程中污垢的发生及其控制
英迪拉Chimanlal1、2，
勒比亚·n·恩图尼亚
Cejna Quist-Jensen
海蒂·理查兹- 1南非约翰内斯堡金山大学化学学院分子科学研究所
- 2奥尔堡大学化学与生物科学系膜技术中心，丹麦奥尔堡
膜蒸馏结晶(MDC)是一项新兴技术，旨在管理影响海水淡化行业的挑战。该技术可实现对采出水浓缩溶液和工业含盐废水的可持续处理。同时回收干净的水和矿物质是通过集成结晶膜蒸馏(MD)。MDC因其治疗高盐溶液的潜力而受到广泛的研究兴趣。然而，MDC在利用其工业应用方面仍然面临挑战。从技术上讲，MDC受到污垢/结垢和湿润的影响，从而阻碍了工业层面的实际应用。本研究回顾了MDC对膜污染和润湿的发生情况。此外，为解决这些挑战而进行的现有发展将被严格审查。最后，展望了该技术的可持续性。
简介
目前，约有40亿人受到缺水的影响(Mekonnen和Hoekstra, 2016)．缺水受到城市化和工业化、人口增长和气候变化的影响(艾哈迈德等人，2020年)．此外，矿物资源枯竭正成为一个工业问题。因此，原材料价格下跌导致多个行业面临能源和财务方面的挑战(Quist-Jensen等人，2016)．原料的短缺使满足市场需求所需的工业生产最小化。因此，在回收淡水的同时，从废河流中回收矿产资源势在必行。由于淡水资源的不断枯竭，这条途径绕过了对淡水资源的寻找。解决矿物和淡水短缺问题的一个日益吸引人的技术是膜蒸馏结晶(MDC)。有趣的是，MDC可以同时从高盐废水中回收矿物晶体和淡水(Quist-Jensen等人，2016)．从技术上讲，MDC是一个由膜蒸馏(MD)和结晶反应器组成的混合过程，其中原料溶液在MD系统中浓缩至过饱和，然后进行结晶以回收矿物质(Quist-Jensen等人，2017)．特别是，MDC可以克服与常见废水处理方案相关的挑战，如反渗透(RO)和纳滤(NF) (Pramanik等人，2017)．此外，MDC在低温和压力下工作，使用简单的配置，与其他热过程相比，消耗的能源更少(Bouchrit et al.， 2017；Pramanik等人，2017)．本文综述了多MDC技术在矿物和水回收中的原理和工艺特点。其次，重点介绍了膜污染和水垢控制措施。此外，还讨论了渗透通量、晶体生长和选择性的工艺参数优化。此外，膜制造和改性策略进行了审查，以提供更有效和更有竞争力的膜的发展进一步的见解。最后，介绍了MDC应用的最新进展。
膜蒸馏结晶原理
膜蒸馏技术在海水淡化和高盐工业废水处理方面得到了广泛的应用。在海水淡化过程中，浓缩盐水产生并排放到环境中。然而，这些卤水可以进一步处理以回收矿物资源。德里奥利等人(2015)认为矿物资源比水处理生产的淡水更有经济价值。在他们的研究中，研究人员提出了从MD海水淡化厂提取矿产资源的概念证明(德里奥利等人，2015)．在这方面，MDC作为一种与MD机制相似的新技术出现了。MDC使进料溶液饱和以回收矿物晶体。在回收淡水的同时，通过MD工艺浓缩饲料溶液(Pramanik等人，2016)．在此过程中，进料溶液浓缩至过饱和，从而实现成核和矿物结晶，同时在膜的渗透侧回收淡水(图1) (Quist-Jensen等人，2016)．为了让水蒸气选择性地通过，同时只保留液体，这项技术需要使用疏水膜(Das等人，2021年)．该过程以不同的膜蒸馏模式运作，即直接接触膜蒸馏(DCMD)、气隙膜蒸馏(AGMD)、扫掠气膜蒸馏(SGMD)及真空膜蒸馏(VMD) (Pramanik等人，2016；Quist-Jensen等人，2016)．每种模式的详细描述在其他地方有报道(Nthunya等人，2019a)．有趣的是，MDC的水回收率在50%-90%之间，因此成为一种替代的海水淡化技术(Quist-Jensen等人，2019年)．根据Quist-Jensen等人(2019)， MDC可提高水产量、矿物采收率和推进零液排放(Quist-Jensen等人，2019年)．文中总结了该技术的优缺点表1．
图1．从工业废水中回收淡水和矿物的MDC示意图。
表1．与MDC相关的优点和缺点的总结。
优化膜蒸馏结晶工艺参数
开发可行的MDC流程需要进行优化，以防止模块和油管内部出现不必要的结晶现象。因此，选择合适的MD和结晶操作条件势在必行。这些参数包括工艺温度、溶液过饱和、流速和结晶持续时间。此外，温度和流速对晶体尺寸分布也有影响。因此，分析这些参数可以更好地理解MDC的过程和要求，以实现最大性能，同时确保零液体排放到环境中。
过程的温度
工艺温度对渗透通量的影响可以用Antoine方程来描述，其中α、β和γ是与特定物质和P有关的常数我为蒸汽压(Pa)， T为温度(K)。
根据安托万方程，蒸汽压随温度呈指数增长(乔杜里等人，2019年)．此外，水通量与饲料温度成正比(Banat和Simandl, 1998)．然而，流量增量受工艺温度的限制，一旦达到最佳值，流量增量就会下降(Banat和Simandl, 1998)．此外,Attia等人(2017)利用合成静电纺丝PVDF膜、超疏水氧化铝膜和商用PVDF膜在比较AGMD工艺中评估了温度的影响。建立了渗透通量与进料温度之间的直接关系(Attia等人，2017年)．Liu et al. (2022)评价了温度和流速对从空调系统中获得氯化锂的影响通过DCMD。据报道，虽然膜的疏水性被改变，但饲料温度的提高改善了溶质的生成。然而，溶质浓度的增加由于分蒸汽压的降低(Liu等，2022)．虽然在较高的温度下可获得较高的水通量，但由于盐沉淀，水回收系数降低(Zhu等，2021)．综述了进料温度对工艺操作的影响表2．
表2．综述了不同进料温度对渗透通量的影响。
解决过度饱和
MD技术逐步将饲料溶液浓缩到过饱和的能力产生了MDC (Yadav等，2022)．水蒸气从进料流逐渐通过馏分液导致最终浓度的进料溶液达到其临界饱和。进料过饱和的进一步增加使结晶反应器中的结晶盐得以回收(Das等人，2021年)．重要的是，这一过程有助于在尺寸和纯度方面回收更高质量的矿物晶体。其他好处包括控制过饱和和成核速率(Yadav等，2022)．然而，进料浓度向溶液过饱和方向的增加引起了温度和浓度极化，从而降低了渗透通量(马丁内斯,2004)．此外，由于膜表面形成晶体，会造成孔隙堵塞(Yadav等，2022)．马丁内斯(2004)使用平板聚四氟乙烯膜和纯水、氯化钠和蔗糖的进料溶液，研究了进料浓度对渗透通量的影响。值得注意的是，纯水通量向过饱和方向保持稳定。然而，氯化钠和蔗糖晶体在膜表面的沉积导致渗透通量降低(马丁内斯,2004)．当大体积进料溶液达到过饱和时，就会诱导成核，接着是结晶(Yadav等，2022)．此外，较高的进料温度增加了溶剂蒸发的速度，从而促进了与低进料温度相比的过饱和速率的增加(Edwie和Chung, 2013)．
结晶时间
盐的溶解度、水的回收率和工艺温度对晶体的形成和生长有影响。例如，含有极可溶性溶质的低浓度饲料溶液需要很长时间才能形成晶体(鲁道夫,2010；Liu等，2021)．此外，缓慢的晶体生长速度有利于大晶体的形成。因此，较长的结晶周期会产生较大的晶体(阿尔瓦雷斯等人，2020年)．在他们的研究中，瓦格斯塔夫等人(1964)评价了结晶时间对方石英粒径的影响。根据他们的发现，晶体的大小随着结晶过程持续时间的增加而呈二次增长(瓦格斯塔夫等人，1964)．从本质上讲，晶体生长的速度是由各种因素决定的，包括生长晶体的潜热流动，扩散和发生在晶体界面的反应(鲁道夫,2010)．在MDC过程中，膜的包裹体为非均相成核提供了一个位点。膜-溶液界面的吉布斯自由能较低，因此有利于非均相成核而非均相成核(Ruiz Salmón和Luis, 2018)．根据Edwie and Chung (2013)，较高的进料温度促使较高的蒸发速率，从而导致较低的平均晶体尺寸。一旦形成核，核就开始生长，直到达到临界簇的大小。此后，晶体在饱和区(即亚稳态和不稳定生长区)形成和生长(Yadav等，2022)．技术上，过饱和速率和成核速率影响晶体网络的生长，从而影响结晶的持续时间(Das等人，2021年)．
再循环率
MDC进程的高恢复速率在较高的再循环速率(斯瓦米纳坦和林哈德，2018年)．对于高效高性能的MDC进程，总体恢复因子应大于单次通过进程的恢复因子(Lokare等人，2018)．为了达到高回收率，保留液在结晶前与新的进料溶液混合(Lokare等人，2018)．除了高回收率外，提高再循环率还可以提高传热系数。因此，这使边界层最小化，从而提高渗透通量(Srisurichan等人，2006)．由于改善了水的湍流性，较高的再循环速率降低了温度极化和膜污染，从而保证了稳定的水通量(Lokare等人，2018)．
MDC膜的污染
多数据中心污垢的发生是影响进程性能的常见问题。为尽量减少污染，应确定污染的发展和继承。简单地说，污垢是由于微生物、胶体、有机或无机成分沉积在膜的表面或内孔，从而造成堵塞(乔杜里等人，2019年；Mpala等人，2022)．由于膜物理化学性质的变化，污垢降低了渗透水通量、盐分排异率，也增加了工艺的运营支出(OPEX)。Nthunya等人，2022年)．此外，污垢会降低膜的疏水性，导致膜润湿(Wang和Lin, 2017)．降低的膜疏水性促使水以液态通过，从而减少矿物盐的排斥(Wang和Lin, 2017；乔杜里等人，2019年)．此外，污染不仅局限于膜表面，也可能发生在膜孔内。这在一项由Kim等人(2018)报告杂质在膜孔内沉积，同时降低水回收率和渗透通量。通常情况下，渗透通量的减少是由部分和完全润湿引起的，而水质恶化则是由后者引起的(图2) (姚等，2020年)．从技术上讲，膜是部分湿润的工艺条件下，通过有限的水在液体和蒸汽状态。然而，在全孔润湿过程中，携带盐离子的水以液态通过膜，从而降低了馏分液的质量。
图2．在MDC中经历的膜孔湿润的图形表示。
影响污染的常见因素包括饲料溶液性质、水动力条件和膜特性(姚等，2020年)．最常见的污染形式是由少量可溶性盐(Pramanik等人，2016；Char等人，2021年)．发生无机结垢通过两种机制，即;1)膜表面或膜孔上的成核和沉淀生长;2)在体溶液中物化的沉淀物的积聚(骑士等人，2021年)．造成膜损伤的常见垢剂包括硫酸钙和碳酸钙(Alkhatib等人，2021)．污垢可分为多孔性和非多孔性，前者引起热阻，后者引起热阻和水力阻力(Abdel-Karim等人，2021年；Alkhatib等人，2021)．因此，为了保持高MDC工艺性能，应克服与高浓度盐和复杂进料解决方案相关的操作挑战。污染及其影响在表3在下面。
表3．实验过程中污垢的影响。
污染控制
膜污染是不可避免的，因此需要采取战略措施将其对工艺性能的影响降至最低。污染控制可延长膜的寿命，并维持MDC进程的性能(Laqbaqbi等人，2017)．膜污染是通过预处理、反冲洗和化学清洗等措施来控制的。这些过程延长了膜的寿命。膜污染后采用化学清洗和反冲洗来回收助熔剂和盐分。为了提高水回收率，对污染控制进行了优化，以最大限度地降低成本和膜的损坏。
预处理
膜污染引起的通量下降需要经常清洗膜，并可能更换膜，从而增加了运行和维护成本。因此，将废水预处理集成到MDC中可以提高工艺性能。首先，预处理策略通过降低污水在饲料水中的浓度来限制污染。预处理的选择取决于给水。通常，需要结合预处理策略来提高从饲料溶液中去除污垢的效率。这些组合涉及物理和化学过程，如低压膜过滤、混凝和絮凝、吸附、pH调整和添加抗垢剂。
机械预处理包括膜过程，如微滤(MF)，超滤(UF)和纳滤(NF)。特别是，NF用于水的软化和天然有机物(NOM)的还原。UF和MF可减少胶体、悬浮物和生物物质(Alkhatib等人，2021)．这些预处理方法已在各种复杂的水处理中进行了评估(Nthunya等人，2021年)．El-Abbassi等人(2013)研究了dmd对橄榄厂废水的混凝-絮凝和MF预处理。混凝-絮凝预处理可使TDS和酚类化合物的浓度分别降低23%和18%。经MF处理后，TDS去除率提高至30%，酚类化合物去除率降低至4.8% (El-Abbassi等人，2013)．在另一项研究中，卡拉库尔斯基和格里塔(2005)研究了用于MD的自来水的纳滤预处理。据报道，未经处理的饲料水引起膜结垢，导致通量快速衰减。然而，NF预处理去除了氧化垢，从而确保了高工艺性能(Karakulski和Gryta, 2005)．此外，吸附已被证明可以有效去除MD水净化前的有机物。Nthunya等人(2019c)报道了使用装有聚乙烯亚胺功能化聚丙烯腈纳米纤维膜的蜡烛过滤器(孔径约100微米)去除饲料废水中的酚类化合物。膜呈39.9 mg g−1吸附量(Nthunya等人，2019b)．值得注意的是，投料预处理废水后，MD工艺性能保持相对稳定。混凝-絮凝是另一种被证明可以在MD水处理之前有效去除污染物的工艺。在此过程中，污物颗粒转化为较大的絮凝体，从而减少了它们与膜的粘附作用。此外，混凝-絮凝结合常规处理或膜过滤工艺可去除给水中的絮凝体(Alkhatib等人，2021)．Li et al. (2016)研究了混凝预处理- MD法对生物处理焦化废水的净化效果。聚合氯化铝(PACl)絮凝剂可以减少污染物，从而提高MD (李等，2016)．最后，ph调整已广泛用于膜工艺中饲料溶液的处理。饲料pH值的增加促进金属沉淀物的形成，这些沉淀物在MDC之前作为不溶性金属氢氧化物被去除。同样地，饲料溶液被酸化以溶解污物，从而阻碍它们与膜的相互作用(Karakulski和Gryta, 2005)．对MDC预处理过程进行了总结图3．
图3．多数据中心预处理过程概述(一)前处理分类(B)特定污物的工艺选择。
使用抗垢剂
抗阻垢剂是阻止膜表面阻垢剂成核或晶体生长的沉淀抑制化学物质。抗垢剂吸附在核表面，阻碍晶体生长和团聚的速度(林和辛格，2005年；格洛德和梅林，2008年；Abdel-Karim等人，2021年)．抗结垢机制是通过配体交换或静电相互作用(骑士等人，2021年)．常用的防垢剂包括有机磷酸盐、聚电解质和聚磷酸盐(Ketrane等人，2009年)．Yin等人(2021)采用聚丙烯酸(PAA)对石膏反渗透(RO) + MD的抗结垢性能进行了评价。在没有抗垢剂的情况下，1300分钟的测试记录了95%的水通量衰减。而添加抗垢剂后，衰减率降低30%，回水率为40% (Yin等，2021)．林与辛格(2005)利用聚磷酸盐来减少MD中方解石晶体的生长。工艺性能保持稳定，记录了最小的通量衰减。虽然抗垢剂改善了MDC过程，但其添加量超过最大阈值会促进膜生物污染(Tijing等，2015)．因此，在处理特定的进料溶液时，应优化抗垢剂的用量以满足工艺要求。
膜冲洗和气体鼓泡
膜冲洗和气体鼓泡被归类为物理污染缓解策略。通常使用去离子水从膜表面去除吸附的溶质。然而，冲洗无法去除膜孔内的溶质(Alkhatib等人，2021)．冲洗通常以两种模式进行，即正冲洗和反冲洗。从技术上讲，正冲时往正方向泵送去离子水，而反冲时则相反(Alkhatib等人，2021)．气泡增强剪切速率和流体动力学，从而降低温度和浓度极化(Alkhatib等人，2021)．据报道，精细分散的气泡比课程气泡更有效(卢等人，2008)．Choi et al. (2020)采用中空纤维PVDF膜对部分浸没式MD结晶过程中海水中硫酸钠的回收进行了评价。使用了两种清洗程序，即空气反冲洗和硫酸铵存在下的去离子水冲洗。空气反洗使助熔剂回收率达到90%。同样，冲洗从原始水平恢复了82%的水通量。然而，多次空气反冲洗导致渗透通量逐步下降(Choi等人，2020年)．为了减少聚丙烯(PP)支撑的商用聚四氟乙烯膜的结垢，Nghiem和Cath (2011)使用MilliQ水。膜冲洗5个周期后，可回收30%的原始通量(Nghiem和Cath, 2011)．虽然冲洗对去除无机污染物更为有效，但在处理受油污染的饲料时，冲洗也可用于去除有机污染物(Gryta 2020)．
温度调节和回流
温度和回流技术是用于减轻MD/MDC污染的新方法。实验过程由希肯巴顿和凯斯(2014)在确保稳定的工艺性能的同时尽量减少结垢。进料和馏分液之间的温度交换有效地逆转了膜上的驱动力，从而减少了膜与垢之间的表面相互作用。水通量和排污率恢复到95%。值得注意的是，这两种方法都最大限度地减少了结垢，从而确保了稳定的通量，并保持了高盐排渣(希肯巴顿和凯西，2014年)．值得注意的是，这些缓解战略避免使用昂贵和有毒的化学品。因此，温度反转和流动反转是控制膜污染的有效替代措施。然而，还需要进行广泛的研究，以确定它们在工业规模上的可持续性。
化学清洗
化学清洗是控制膜污染最常用的反应性措施。其作用机制包括破坏污染物与膜的相互作用(Alkhatib等人，2021)．化学试剂包括酸、碱、表面活性剂、螯合剂、酶和氧化剂(Al-Amoudi和Lovitt, 2007年；波切利和贾德，2010年)．通常，碱和表面活性剂用于处理有机和生物污垢(Alkhatib等人，2021；Char等人，2021年)，而酸和螯合剂则适用于无机污垢(Alkhatib等人，2021；Gryta 2021)．为了确保协同清洗过程，在处理具有各种污垢特征的复杂饲料溶液时，通常使用化学品组合(Alkhatib等人，2021)．Charfi等人(2021)优化了厌氧消化处理过程中MD工艺的清洗程序。据报道，去离子水冲洗后，用0.2% NaOCl和3%柠檬酸冲洗60分钟。NaOCl和柠檬酸分别有效去除有机和无机污垢，从而确保75.5%的通量回收率。此外，清洗过程恢复了87%的膜疏水性和最小的膜润湿(Char等人，2021年)．在另一个研究中Guillen-Burrieza等人(2014)评估了各种清洗剂在MD工艺长期结垢控制中的作用。根据报道的结果，0.1 wt%草酸和0.8 wt%柠檬酸的组合可回收97%的膜WCA。此外，甲酸和硫酸分别回收了膜WCA的96.7%和94.6%。虽然这些过程恢复了WCA，但膜的完整性和机械强度受到影响(Guillen-Burrieza等人，2014)．膜完整性的破坏取决于清洗条件，包括试剂的浓度、持续时间和清洗频率。为了了解化学清洗对物理化学性质的影响，应采用各种表征技术。这些包括化学，形态，拓扑，疏水/亲水，和膜的力学分析。Puspitasari等人(2010)研究了氧化性次氯酸钠(NaOCl)对PVDF膜的清洗和老化。介绍了化学浓度对膜的清洗和老化的影响图4一．随着NaOCl的增加，清洗效率提高。循环膜清洗也有相同的趋势。然而，按照清洗方案，扫描电镜显微照片显示膜表面存在污垢。此外，FTIR结果显示膜的化学官能团发生了变化，从而暗示了老化效应。此外，高浓度的NaOCl破坏了膜的完整性(图4 b) (Puspitasari等人，2010)．为了尽量减少损害，通常使用清洁试剂和防垢剂的组合。这是由彭等(2015)在反渗透浓盐水的MD处理过程中。使用了NaCl、NaOH、KCOOH、柠檬酸、EDTA-4Na等一系列化学试剂。在高温下作业时，EDTA-4Na的通量回收率最高。改善的回收率与钙离子的螯合有关，从而减少了它们与膜的相互作用(彭等，2015)．在另一项研究中，张杰等(2021)在FO/MD系统中采用有机磷酸与四亚甲基膦酸(HDTMPA)的组合处理垃圾渗滤液。这些化学物质的组合减少了污染物-膜的相互作用，从而提高了工艺性能。虽然90%的助熔剂在第一个循环中得到回收，但持续清洗并没有显示出性能回收率的显著提高(张鹏等，2021)．
图4．(一)平均清洁效率作为不同NaOCl浓度的函数，(B)老化、污染膜的整体清洁效率(OCE) (Puspitasari等人，2010)．
一些污染物与膜表面结合强烈，从而造成不可逆的污染。报道了这一现象Naidu et al. (2015)用NaOH清洗被腐殖质污染的MD膜。膜部分再生，疏水性回收率为19% (Naidu等，2015)．化学清洗技术的进一步改进包括使用3D间隔器。隔层放大流动湍流，从而减少污垢-膜的相互作用。在他们的研究中，Castillo等人(2019)研究了在间隔物存在的情况下，用柠檬酸和水逐级清洗MD膜的方法。清洗后，膜WCA回收率为87% (卡斯蒂略等人，2019年)．介绍了各种清洁策略的效果表4．
表4．各种研究中使用的清洁策略的总结。
膜改性
膜改性提高了抗污和抗湿性。通常，修改是通过系统的操作来实现的。目前，具有自清洁特性的超疏水膜的探索成功率较低。为了提高膜对污染的抵抗力，同时保持高盐排斥，还报道了全疏膜和Janus膜(Wang和Lin, 2017；姚等，2020年；Tjale等人，2022年)．这些膜的特点是不对称润湿性，以尽量减少污染，同时保持工艺稳定性(Afsari等人，2021年)．肖等(2020)通过将二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)包覆的微柱(MP)掺入PVDF制备全疏膜。据报道，SiNPs-MP-PVDF膜减少了结垢和污垢，从而在较长时间内保持工艺性能。图51)和2)介绍了膜改性在防止通量衰减方面的作用。
图5．归一化水通量(J/Jo)与单个膜的浓度因子(一)卡索4缩放、(B)酪蛋白有机污垢(肖等，2020年)．
在另一项研究中，Toh等人(2019)使用二氧化硅纳米颗粒改性pvdf -共六氟丙烯膜，以提高其抗湿性和抗污性。改性后的膜具有高WCA和低表面能(Toh等人，2019年)．张杰等(2021)报道了聚多巴胺(PDA)和聚(mpc -co-2-甲基丙烯酸氨基乙酯盐酸盐)(MPC-co-AEMA)共沉积对PVDF中空纤维膜的亲水表面改性。光滑的亲水薄层减少了污水与膜的相互作用(张鹏等，2021)．除亲水涂层外，抗菌纳米颗粒还嵌入在疏水膜上，以对抗有机、无机和生物污染。这些添加剂包括银纳米颗粒、纤维素纳米晶体和碳纳米管(Nthunya等人，2019a；Nthunya等人，2020年)．膜改性工艺处理污染表5．
表5．综述了各种膜改性策略及其对膜性能的影响。
在污水处理中的应用
膜蒸馏结晶技术(MDC)作为一种有前途的创新技术出现，以应对全球淡水和矿产资源的短缺。由于与工业应用相关的挑战，MDC在实验室规模上进行了广泛的测试。中总结了多数据中心的各种应用表6．尽管如此，具有良好结果的工艺优化已经推动了其在废水处理中的工业应用。例如,哈姆扎等人(2019)报告的通量为11.0 kg m−2·人力资源−1在使用PVDF/TiO处理富酚饲料溶液时2/ SiO2复合膜。值得注意的是,TiO2-改性提高了对有机污垢的耐腐蚀性(哈姆扎等人，2019年)．尽管污染在一定程度上被最小化，但它仍然具有挑战性(Kim等人，2017年)．值得注意的是，被污染的膜容易结垢和湿润(Kim等人，2017年)．尽管存在这些挑战，MDC在处理复杂饲料解决方案方面还是相对通用的。在他们的研究中，Lu et al. (2017)据报道，从石油加工废水中回收了99%的水纯度。此外，MDC还被用作从反渗透精矿(Venzke等人，2021)．然而，反渗透精矿的处理会引起浓度极化和结垢(Venzke等人，2021)．有趣的是，MDC不仅可以处理工业废水，还可以处理包括人类尿液在内的生物废物(赵等，2013)．在此处理过程中，水回收率为31.9%-48.6%，氨氮回收率和COD降低(赵等，2013)．在与这一过程的经济性相关的其他因素中，MDC是由可再生能源驱动的。对太阳能的利用进行了评价Li et al. (2020)在使用光热膜的中试规模中。虽然高通量(21.99 kg m−2·人力资源−1)，水回收系数低，光热膜的生产成本高(李等，2020年)．在实验室规模上取得的成功支持了该技术向试点和工业规模的实施。Memstill®据报道，2006年在新加坡的焚化厂首次进行了垃圾焚化技术先导测试(Dotremont等人，2010)．2011年，位于比利时安特卫普的巴斯夫公司开展了其他试点研究(卡马乔等人，2013)．
表6．MDC在废水处理和矿物回收中的各种应用。
结论及未来展望
争取民主变革运动解决影响发展中国家的金融挑战。各种文献报告记录了这种技术的成功，有效地回收淡水和矿物盐从无数的废水饲料来源(Quist-Jensen等人，2016，2017；Kim等人，2017年；Choi等人，2020年)．结合新兴的实验室规模研究，在工业平台上实施试点研究为该技术的未来提供了一个有前途的轨迹。然而，膜污染和润湿需要特别注意。膜污染可分为有机、无机(即结垢)、生物污染和/或胶体污染。在某些情况下，进料溶液中可能存在污染物的组合，从而导致更复杂的膜污染情况。为了避免这些问题，已经注册了各种污染控制措施，包括机械预处理选项，如微过滤(MF)和纳滤(NF)。其他预处理策略包括防垢剂、温度调节和膜冲洗。此外，化学清洗已被广泛用于恢复MDC性能。虽然商业膜已用于MDC工艺，但进一步的研究已针对各种抗污染膜的合成和改性。这包括纳米颗粒的掺入，通过超亲水性增强来诱导自清洁(即改善膜的莲花效应)。 Similarly, Janus membranes characterized by asymmetric wettability have been evaluated to mitigate membrane fouling. The steady development in this technique and its accompanying components has probed further interest into its applicative potential. Promising feedback established with the use of this technique pave the way towards further implementation in an industrial setting for mineral and water recycling. Future perspectives include, though not limited to:
•使用环保试剂生产膜，解决膜污染和润湿问题。
•优化膜清洗策略，实现可行的工业应用。
•进一步研究和实施中试规模的研究，以提供实际的MDC在工业应用中的适用性。
•需要进一步研究建立污染机制，以了解膜的寿命和工艺性能。
作者的贡献
集成电路:调查;方法;验证;角色/原创作品。LN:概念化;数据管理;正式的分析;资金收购;资源;写作评论和编辑。 HR: Conceptualization; Funding acquisition; Project administration; Resources; Supervision; Writing—review and editing. CQ-J: Software; Visualization; Writing—review, editing and funding acqusition.
资金
作者要感谢威特沃特斯兰德大学，奥尔堡大学，丹麦国际开发署(资助号:DANIDA1)和国家研究基金会(nnf资助号:132724)资助这项研究工作。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文中所表达的所有主张仅代表作者，并不代表他们的附属组织，也不代表出版商、编辑和审稿人。任何可能在本文中评估的产品，或可能由其制造商提出的声明，都不得到出版商的保证或认可。
参考文献
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关键词:水回收、矿物开采、结垢、润湿、膜蒸馏结晶
引用:Chimanlal I, Nthunya LN, Quist-Jensen C和Richards H(2022)膜蒸馏结晶用于水和矿物回收:污水处理过程中污垢的发生及其控制。前面。化学。Eng。4:1066027。doi: 10.3389 / fceng.2022.1066027
收到:2022年10月10日;接受:2022年11月18日;
发表:2022年11月29日。
编辑:
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*通信:海蒂·理查兹,Heidi.richards@wits.ac.za