《Separation and Purification Technology》：Boosting process efficiency through concentrate recycling in suspension melt crystallization
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本研究针对悬浮熔融结晶技术在脱盐和水处理中水回收率受限的问题，通过引入浓缩液内循环策略，系统探究了其对NaCl–H2O、MgSO4–H2O及混合盐体系分离性能的影响。结果表明，在维持纯度＞99%的前提下，循环操作可使水回收率提升至67%，并揭示了热传递限制与冰晶夹带对过程轨迹的调控机制，为高盐废水低能耗处理提供了新思路。
随着全球水资源短缺问题日益严峻，高效、低能耗的水处理技术成为研究热点。悬浮熔融结晶作为一种基于相变分离的纯化技术，因能耗仅为蒸馏法的1/3至1/7，且适用于热敏物质，在脱盐、食品浓缩等领域展现出巨大潜力。然而，该技术在实际应用中面临核心挑战：传统单级结晶过程的水回收率受固液平衡限制，难以进一步提升；同时，晶体与浓缩液的分离效率易受冰晶夹带、热传递不均等因素干扰，导致过程稳定性不足。为此，多特蒙德工业大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表论文，通过浓缩液内循环策略重构结晶路径，系统评估了其对水回收率和纯化效率的协同强化作用。
研究采用刮板式冷却结晶器与机械活塞型洗涤柱集成的中试装置，关键实验方法包括：
- 1.
结晶过程调控：通过逐步降低操作温度（-0.9?°C至-5.0?°C），控制悬浮密度至35?wt%，并利用传导性监测浓缩液浓度变化；
- 2.
洗涤柱分离优化：设定循环时间（60–110?s）、压缩时间（1?s）与熔体温度（3?°C），通过冰床高度实时反馈调节悬浮密度；
- 3.
多体系对比分析：以NaCl–H2O（1?wt%、3.5?wt%）、MgSO4–H2O（3.5?wt%）及NaCl/MgSO4混合溶液（1?wt%）为模型体系，探究循环对不同相平衡行为的影响；
- 4.
在线监测与采样：采用重量法计量熔体与浓缩液产率，并通过图像分析（QICPIC系统）测定晶体粒径分布。
3.1 浓度轨迹与循环效应
循环操作显著改变了浓缩液在固液平衡图中的轨迹。对于NaCl–H2O体系（1?wt%），当温度从-0.9?°C降至-3.4?°C时，浓缩液浓度偏离平衡线，最高浓度达4.2?wt%，而理论平衡浓度仅为3.1?wt%。这种偏移归因于结晶器内热传递限制：尽管操作温度接近平衡点，但移热速率不足以完全释放结晶潜热，抑制晶体充分生长。通过调整洗涤柱循环时间（60?s→110?s），系统维持了稳定的悬浮密度，但冰晶夹带至循环管的现象加剧了浓缩液稀释（见图3.5）。
3.2 过程性能与纯化效率
循环策略大幅提升水回收率：NaCl–H2O体系（1?wt%）的产率从35%（无循环）升至67%，MgSO4–H2O体系达65%。值得注意的是，产率峰值出现在特定温度（如NaCl体系为-1.9?°C），此后进一步降温反而导致产率下降（图3.2）。这是因为低温下热驱动力减弱，结晶速率滞后于稀释效应。尽管如此，洗涤柱的纯化效率始终保持在99.6%以上，仅当循环时间超过110?s时，因冰床边缘熔化引发沟流，效率暂降至99%。
3.3 晶体粒径与热传递限制
晶体粒径分布（PSD）证实了热传递的关键作用。NaCl–H2O体系（1?wt%）的晶体中值粒径（d50,3）为400?μm，而MgSO4–H2O体系降至156?μm（-5.0?°C）。MgSO4的平衡线斜率更平缓，单位温降需结晶更多水分，加剧了热负荷。微观图像（图3.4）显示，NaCl体系晶体均匀，而MgSO4体系晶体细小且分散，印证了热量移除不足导致成核优势超过生长。
3.4 循环系统的优化挑战
浓缩液在循环管道中的浓度分层现象（图3.7）暴露了设备设计缺陷：位置较高的循环阀（V07）易截留冰晶，融化后稀释浓缩液。通过改进阀门控制（仅在填充阶段开启循环），MgSO4体系在-1.4?°C时的浓度偏差从15%降至7%，但未能完全消除冰晶携带。作者指出，优化管道高度或加装过滤器是未来工程改进方向。
结论与展望
本研究证实，浓缩液循环可通过突破单级结晶的浓度限制，将悬浮熔融结晶的水回收率提升至67%，且不影响纯化效率。然而，热传递瓶颈与冰晶夹带仍是过程强化的主要障碍。研究进一步揭示了不同盐体系的相平衡特性对循环效果的调控规律：NaCl体系因平衡线陡峭更易实现高产率，而MgSO4体系需匹配更高效的换热设计。该策略为混合盐废水、高盐卤水处理提供了新路径，尤其适合与反渗透等工艺耦合，形成低能耗杂交系统。未来工作需聚焦于结晶器-洗涤柱的传热传质协同优化，以推动该技术向工业放大迈出关键一步。
