Inorganic Scaling in Membrane Desalination: Models, Mechanisms, and Characterization Methods

海水淡化 成核 过饱和度 缩放比例 微尺度化学 反渗透 化学 材料科学 工艺工程 化学工程 工程类 数学教育 有机化学 生物化学 几何学 数学
作者
Julianne Rolf,Tianchi Cao,Xiaochuan Huang,Chanhee Boo,Qilin Li,Menachem Elimelech
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:56 (12): 7484-7511 被引量:115
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c01858
摘要

Inorganic scaling caused by precipitation of sparingly soluble salts at supersaturation is a common but critical issue, limiting the efficiency of membrane-based desalination and brine management technologies as well as other engineered systems. A wide range of minerals including calcium carbonate, calcium sulfate, and silica precipitate during membrane-based desalination, limiting water recovery and reducing process efficiency. The economic impact of scaling on desalination processes requires understanding of its sources, causes, effects, and control methods. In this Critical Review, we first describe nucleation mechanisms and crystal growth theories, which are fundamental to understanding inorganic scale formation during membrane desalination. We, then, discuss the key mechanisms and factors that govern membrane scaling, including membrane properties, such as surface roughness, charge, and functionality, as well as feedwater characteristics, such as pH, temperature, and ionic strength. We follow with a critical review of current characterization techniques for both homogeneous and heterogeneous nucleation, focusing on the strengths and limitations of each technique to elucidate scale-inducing mechanisms, observe actual crystal growth, and analyze the outcome of scaling behaviors of desalination membranes. We conclude with an outlook on research needs and future research directions to provide guidelines for scale mitigation in water treatment and desalination.
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