【新闻快讯】实验室成员衡益教授团队加速先进反渗透膜系统多尺度设计

发布时间:2023-03-02

导读：日益严峻的水资源问题是目前可持续发展面临的重大挑战之一。海水淡化是增加淡水总量的有效途径之一。近日，实验室成员衡益教授团队利用“HPC+AI for Science”研究新范式，针对海水反渗透技术结合先进膜材料展开系统性研究，提出了面向高渗透性反渗透膜材料的组件与系统多尺度优化设计新方法，使淡水制备比能耗降低27.5%，所需膜面积减少37.2%，降耗节支成效显著，为应对水资源危机提供了创新技术手段，最新成果于2月底发表在国际高水平综合类期刊《Science Bulletin》（IF=20.577）上。

应对水资源危机，瞄准海水淡化新蓝海

我国水资源严重短缺，人均水资源占有量仅为世界人均水平的25%。预计到2030年，人均水资源占有量将接近或达到世界公认的用水警戒线，水资源短缺将日益成为制约我国经济社会发展的重要因素。海水/微咸水淡化、污水回收净化处理后再利用是未来数十年主要的水资源开源增量技术。反渗透技术是目前最先进的淡化技术之一，占全球60%以上的淡化市场。

图1：海水淡化不同尺度研究：高性能膜开发、组件优化与系统设计

高渗透性反渗透膜由于在降耗节支方面的显著优势与巨大潜力得到了广泛的关注与研究（如上图）。世界著名膜专家、美国工程院院士、中国工程院外籍院士、美国耶鲁大学Menachem Elimelech教授团队在《Science》等国际权威期刊上指出：由于浓差极化与膜污染等因素导致高渗透性反渗透膜技术应用受到限制，需要重新设计膜组件；在提升海水淡化能源效率方面，采用基于模型的系统设计方法具有较大的潜力，迫切需要转变海水淡化研究范式。

HPC+AI for Science范式促创新，降耗节支成效显著

衡益教授团队主导，与美国加州州立理工大学、国际化工领域专家李明恒教授以及水处理领域最高学术荣誉“Clarke Prize”得主、美国加州大学洛杉矶分校Eric M.V. Hoek教授展开合作，基于超算、机器学习等先进技术，提出了针对高渗透性反渗透膜材料的组件与系统多尺度优化设计新方法。对标目前国际上现行的先进海水反渗透技术方案（如下图），本工作中提出的基于新材料的系统与组件多尺度一体化优化设计的新方案具有显著优势，淡水制备比能耗降低了27.5%，所需膜面积减少了37.2%；浓差极化因子等关键参数均稳定在实际工程应用允许范围之内，可有效解决高渗透导致的膜污染加剧等行业共性难题；为高性能膜材料精准设计提供理论依据、计算分析工具和工业大数据支撑，有重要的应用潜力。最新研究成果于近日以“Supercomputing and machine learning-aided optimal design of high permeability seawater reverse osmosis membrane systems”为题在线发表于国际高水平综合类期刊《Science Bulletin》上。

图2：传统一级海水反渗透淡化系统及优化前膜组件进水隔网结构

论文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323000750

天河二号助力膜组件高效设计，大幅缩短研发周期

衡益教授团队近年来依托“天河二号”开展反渗透膜组件设计相关工作，并取得了系列研究成果（前期报道：2020-06-03 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）。本项工作依托实验室和广州超算中心，以及衡益教授所主持的广东省重点领域研发计划“软件与计算”重大专项项目资助，基于团队自主开发的“FIND::Multiphysics”软件结合主流商业软件进行大规模数值模拟正问题的多场耦合计算，利用高通量计算、计算流体力学、机器学习、多尺度混合建模、全局优化等方法研发了普适的、面向高渗透性膜材料膜组件与系统一体化设计的反渗透多尺度分析设计软件平台。本项研究工作面向高渗透性反渗透膜系统多尺度设计问题，突破了基于“试错法”或基于梯度串行迭代优化方法的传统单一尺度组件设计限制，对考虑参数空间内随机抽取的970组不同工况参数组合（包含膜组件进水隔网几何参数及入口平均速度大小）进行CFD参数化建模，并基于“天河二号”超算系统进行高通量并行分布式计算，计算规模可扩展至约10万核，较串行算法计算效率提升超过3000倍，可有效缩短高性能膜组件的设计周期，是“HPC+AI for Science”研究范式指导下的创新应用典范之一。

海水淡化是应对水资源危机，增加淡水总量的有效途径之一。反渗透是目前广泛应用的海水淡化技术，如何进一步大幅度降低其能耗与成本一直是相关研究重点。在前期研究工作的基础上，衡益教授团队未来将基于HPC+AI创新方法，继续攻关超高渗透性反渗透膜系统的工艺流程优化与高性能膜组件设计，结合自主设计搭建的先进批处理式反渗透实验平台（如下图），研究大幅度降耗节支的方案，助力实现国家“双碳”目标。同时，团队将开发具备“实验测量-模型参数识别与精准预测-最优实验设计”等功能的批处理式反渗透膜组件与系统多尺度一体化设计数字孪生系统原型，提供更具成本优势的大规模淡水制备解决方案，为解决日益严峻的全球水资源危机做出应有的贡献。

图3：(a)自主设计搭建的批处理式反渗透实验平台; (b)批处理式反渗透工艺流程及基于模型最优实验设计思路

来源：国家超级计算广州中心微信公众号