【新闻快讯】向海洋要淡水！实验室成员衡益教授团队推动反渗透膜组件优化设计

发布时间:2020-06-03

导读：随着全球人口迅速增加、城市化进程快速推进以及全球变暖等气候变化，淡水资源的需求量在迅速增长，全球淡水资源紧缺的局面正在逐渐显现。作为水资源开发的开源增量技术，海水/苦咸水淡化技术已成为解决全球水资源危机的重要途径。目前，螺旋卷式反渗透（RO）是工业上应用最广泛的淡化技术之一，其结构优化设计可有效降低产水能耗，具有非常重要的应用价值。然而螺旋卷式RO膜组件结构复杂，完整的设计空间将包含数百万甚至千万种不同的参数组合，其相关研究极具挑战。实验室成员衡益教授团队使用数学建模结合超算、人工智能技术，进行了膜组件优化设计，平均产水速率提高了约10%，大幅度降低了单位产水能耗，具有很好的工程应用潜力。

        衡益教授团队与加州州立理工大学反渗透淡化领域研究团队多年来开展深入合作，基于天河二号超算应用平台以 RO 淡化过程中卷式膜组件优化设计为基准问题开发出了一套高效的启发式最优设计工作流程。随后结合基于多层前馈神经网络的人工智能方法对RO过程中复杂水动力学与传质模型进行了辨识，在benchmark仿真测试中预测精度达到约99%。近期，团队研究结果在国际高水平期刊《Desalination》 与《Chemical Engineering Research & Design》上成功发表。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916420300734

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263876220301763

什么是反渗透（RO）淡化技术？

        该技术是目前工业上广泛应用的一种脱盐淡化技术，通常又称“过滤法”，是一种膜分离淡化法。该方法利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的半透膜，在压力驱动下将海水/苦咸水中的盐与淡水分隔开，其最大的优点是节能。

具体怎么做？

1、超算+多尺度混合模型，开发最优设计工作流程

        在用螺旋式RO方法进行脱盐淡化的过程中，隔网结构作为卷式膜组件的重要组成部分，对通道中水动力学及传质过程有显著影响。如下图所示，隔网由重复单元构成，隔网单元结构复杂，包含长度、直径、隔网网丝间夹角等，本工作共考虑了15个几何设计参数。对包含所有几何参数空间同时进行优化需要进行海量的CFD模拟，计算耗时长，模拟成本昂贵。

        团队基于天河二号超算平台，结合局部水动力学模拟提出了苦咸水反渗透（RO）淡化过程多尺度混合模型。针对膜结构不同几何参数及不同操作条件并行完成数千个CFD模拟（其中部分计算结果展示如下动图所示）。每个CFD模拟使用了百万级有限元网格的计算规模，最终开发出了高效的启发式最优设计工作流程。优化后膜结构性能可提升10%左右，有效降低单位产水能耗。

2、超算+大规模多物理场仿真，促膜组件结构优化

        在此基础上，团队进一步结合基于多层前馈神经网络的人工智能方法、RO淡化过程中三维局部多物理场全耦合建模技术，对高浓度海水RO过程中复杂的压降与传质模型进行了辨识（如下图所示）。在该工作中，采取高通量计算策略，对约1000组不同参数CFD模型（每个给定设计参数组合CFD模型包含50-100万四面体网格离散单元，产生约100-200万个计算自由度）进行模拟，计算规模达到了上万核，相比传统串行计算策略效率提高了约40倍。训练得到的模型具有良好拟合精度与泛化能力。得到的单位压降与传质系数模型可进一步指导膜组件结构最优实验设计。采用数学建模结合超算、人工智能技术大大缩短了膜组件设计优化研发时间。

3、天河二号保障研究成果高效产出

        该研究工作涉及大量的CFD模拟仿真工作，“天河二号”庞大的并行计算资源为该研究成果高效产出提供了强有力的计算支持。现有的高通量计算策略比传统串行算法计算效率提升了约40倍。下一步将通过构建基于精准模型的大规模复杂数学优化问题和开发相应的高效并行计算方法，使整体计算效率和精度得到进一步的提高。

        水是基础性的自然资源、战略性的经济资源和生态环境的控制要素，螺旋卷式RO技术是全世界应用最为广泛的海水及苦咸水淡化技术之一，因此如何进一步降低单位产水能耗具有非常重要的现实意义。未来，研究团队将借助超算建立考虑更多影响因素的更高精度数学模型，进行更细颗粒度的模拟研究，保障我国RO应用规模不断扩大的同时制水成本的逐步降低，助力我国积极应对全球淡水资源危机。

来源：国家超级计算广州中心微信公众号