1
成果掠影 & 研究背景
在全球化背景下，世界人口增長(zhǎng)、工業(yè)化推進(jìn)及農(nóng)業(yè)灌溉規(guī)模擴(kuò)大，令淡水需求呈井噴式上升，而淡水資源總量有限且分布不均，使得全球淡水資源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻。與此同時(shí)，工業(yè)等領(lǐng)域高鹽廢水產(chǎn)生量不斷增多，處理高鹽廢水對(duì)緩解水資源緊張與減少環(huán)境污染至關(guān)重要。傳統(tǒng)膜蒸餾技術(shù)曾是處理高鹽廢水的重要手段，但其能耗過(guò)高，運(yùn)行時(shí)需大量能源維持蒸餾條件，極大增加處理成本，且溫度極化效應(yīng)嚴(yán)重，膜蒸餾中熱量傳遞不均勻，使膜表面液體與主體溶液溫差顯著，不僅降低蒸餾效率，還可能造成膜污染損壞，影響處理系統(tǒng)穩(wěn)定性與使用壽命，種種問(wèn)題致使其難以滿足當(dāng)下高鹽廢水處理的迫切需求。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，題為“Ceramic-carbon Janus membrane for robust solar-thermal desalination”的工作開(kāi)發(fā)了一種新型陶瓷-碳Janus膜，成功將太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換與高效脫鹽相結(jié)合。該膜通過(guò)異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在氧化鋁陶瓷基底上生長(zhǎng)超疏水碳納米管（CNT）層，實(shí)現(xiàn)了66.8-68.8%的太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換效率，水通量高達(dá)5.1 L/m2/h（處理35 g/L鹽水），且對(duì)90 g/L高鹽廢水仍保持3.3 L/m2/h通量和99.9%的脫鹽率。分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了CNT界面通過(guò)削弱水分子氫鍵網(wǎng)絡(luò)降低蒸發(fā)能壘的機(jī)制，為下一代高效脫鹽膜設(shè)計(jì)提供了新思路。
2
研究?jī)?nèi)容 & 圖文數(shù)據(jù)
（1）太陽(yáng)能增強(qiáng)型膜界面設(shè)計(jì)
要點(diǎn)精讀：
1.創(chuàng)新Janus結(jié)構(gòu)：陶瓷基底（親水）+ CNT層（超疏水）
2.獨(dú)特制備工藝：化學(xué)氣相沉積（CVD）實(shí)現(xiàn)3.5μm厚CNT層
3.超疏水表面：接觸角168°，孔隙率80.8%，抗結(jié)垢性強(qiáng)
4.低熱導(dǎo)率（0.52 W/m·K）有效緩解溫度極化
5.光譜吸收率98.1%（300-2400 nm波段）
圖1 膜設(shè)計(jì)流程與太陽(yáng)能熱脫鹽過(guò)程示意圖
（2）太陽(yáng)能熱脫鹽性能驗(yàn)證
要點(diǎn)精讀：
1.1 kW/m2光照下膜表面溫度升至51℃，比無(wú)光照提升27.6℃
2.處理90 g/L鹽水時(shí)通量達(dá)3.3 L/m2/h，優(yōu)于多數(shù)聚合物膜
3.流速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)顯示2.2 L/h為最佳操作參數(shù)
4.連續(xù)運(yùn)行25小時(shí)性能無(wú)衰減
圖 2 膜結(jié)構(gòu)表征與表面性質(zhì)對(duì)比
圖 3 太陽(yáng)能熱轉(zhuǎn)換性能與熱導(dǎo)率分析
圖 4 脫鹽性能測(cè)試與對(duì)比
（3）傳熱傳質(zhì)機(jī)制解析
要點(diǎn)精讀：
1.計(jì)算流體力學(xué)模擬驗(yàn)證溫度梯度提升驅(qū)動(dòng)力的核心作用
2.克努森數(shù)（Kn=0.72-0.81）揭示Knudsen擴(kuò)散與粘性流協(xié)同機(jī)制
3.分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示CNT界面氫鍵數(shù)量減少61個(gè)（313K）
4.蒸發(fā)能壘降低至5426.95 kcal/mol（比純水體系低3.6%）
圖 5 傳熱傳質(zhì)模擬結(jié)果
圖 6 分子動(dòng)力學(xué)界面蒸發(fā)機(jī)制
（4）實(shí)際應(yīng)用潛力驗(yàn)證
要點(diǎn)精讀：
1.海水處理通量穩(wěn)定在3.1 L/m2/h，脫鹽率>99.9%
2.抗硫酸鈣結(jié)垢實(shí)驗(yàn)顯示通量保持率超過(guò)95%
3.機(jī)械強(qiáng)度達(dá)96.4 MPa，適用于高壓操作環(huán)境
圖 7 實(shí)際應(yīng)用潛力驗(yàn)證
3
總結(jié) & 原文鏈接
本研究通過(guò)陶瓷-碳異質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)出兼具高太陽(yáng)能熱效率、優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度和長(zhǎng)效穩(wěn)定性的Janus脫鹽膜。創(chuàng)新點(diǎn)包括：①首創(chuàng)CNT/陶瓷Janus結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光熱協(xié)同效應(yīng)；②解析界面水分子氫鍵重構(gòu)降低蒸發(fā)能壘的分子機(jī)制；③驗(yàn)證了90 g/L高鹽廢水處理可行性。該技術(shù)為離網(wǎng)地區(qū)海水淡化提供了高效解決方案，推動(dòng)膜蒸餾技術(shù)向低碳化發(fā)展邁出關(guān)鍵一步。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57888-2
聲明：以上內(nèi)容僅反映作者個(gè)人見(jiàn)解，鑒于作者學(xué)識(shí)所限，若存有不嚴(yán)謹(jǐn)之處，請(qǐng)后臺(tái)留言指正！
熱忱歡迎各位學(xué)術(shù)界同仁分享或提交關(guān)于光-熱-電能源利用、表界面化學(xué)的相關(guān)資訊、研究成果及文章，攜手共促領(lǐng)域的繁榮前行：grdn_connect@163.com (推廣合作同號(hào))
熱門跟貼