通过纳米粒子涂层疏水膜直接接触太阳能膜海水淡化系统时，蒸馏液通量的上限估算

《Desalination and Water Treatment》：Estimation of the upper limit of distillate flux through nanoparticle-coated hydrophobic membranes for a direct contact solar membrane desalination system

纳米光热涂层太阳能膜式海水淡化系统通过光热纳米涂层高效捕获太阳能，在膜两侧形成温度梯度驱动水蒸气扩散，实验测得最大水通量1.31 kg/m2·h，光热效率89%。研究通过数值模拟建立理论极限模型，优化膜厚度、通道长度等参数，提出系统性能提升路径。

　　随着全球人口的增加、工业化的加速以及气候变化带来的影响，水资源短缺已成为一个日益严峻的挑战。根据全球预测，到2050年，约有57亿人将面临不同程度的水压力或水资源短缺。为了解决这一问题，世界各地已建立了超过20000座海水淡化厂，利用如多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）、反渗透（RO）和电渗析（ED）等传统技术将海水转化为淡水。然而，这些传统方法通常需要大量的高品位能源，并且设备成本较高，因此在分布式或离网应用中难以实现可持续发展。

在此背景下，膜蒸馏（MD）作为一种利用低品位热能（如太阳能、废热或地热）的替代方案，展现出巨大的潜力。在膜蒸馏过程中，一个疏水多孔膜将热的进料液与冷的渗透液分隔开来。由于膜两侧的温度差，会产生饱和蒸气压差，从而促使水蒸气从进料侧向渗透侧迁移，并在渗透侧冷凝为纯净的水。尽管膜蒸馏具有诸多优势，但在实际应用中仍面临一些挑战，如温度极化（膜表面与流体本体之间的温度差异）、膜污染以及热效率较低等问题，这些问题限制了其广泛应用。

近年来，将光热纳米粒子层集成到疏水膜表面，成为解决传统膜蒸馏系统局限性的一种有效方法。2017年，一项开创性研究通过将碳黑（CB）纳米粒子涂覆在疏水聚偏氟乙烯（PVDF）膜上，首次实现了纳米光子学赋能太阳能膜蒸馏（NESMD）技术。在NESMD系统中，膜被置于透明的上层和浅层进料通道下方。当系统暴露在阳光下时，太阳辐射穿过透明盖板和进料水，到达CB涂覆的膜表面。光热层能够高效吸收太阳辐射并将其转化为热量，该热量被局部传递到相邻的进料液体中。与传统膜蒸馏系统不同，NESMD中的加热过程是在进料液流动过程中持续进行的，因此进料液的温度不会随着流动距离的增加而下降。这种界面加热显著提升了进料通道内的温度，从而在膜两侧形成了较强的温度梯度。温度梯度促使水蒸气从高温的进料侧向低温的渗透侧迁移，并在渗透侧冷凝为清洁的水。通过将纳米粒子直接涂覆在膜表面，可以在进料-膜界面实现更高的温度，超过进料液的本体温度。这种局部加热产生比进料液-渗透液本体温度梯度更大的有效温度差，从而显著提高水产量。相比之下，传统膜蒸馏系统中的温度极化会降低水蒸气迁移的驱动力，从而限制了蒸馏产量。

自NESMD技术引入以来，研究人员对其进行了广泛研究，尝试了多种纳米粒子和膜材料的组合。其中，碳黑纳米粒子因其高光学吸收性和低成本而被广泛研究。不同实验装置尺寸的研究显示，蒸馏通量（即每平方米每小时产生的水量）在0.22至1.51 kg/m2hr之间变化，对应的光热效率（即冷凝水蒸气的潜热与总入射太阳能之间的比率）则在21.4%至75.1%之间波动。后续研究进一步探索了SiO?/Au纳米壳涂层的PVDF膜，与基于碳黑的涂层相比，蒸馏通量提升了18%。同样，聚多巴胺（PDA）改性的PVDF膜也表现出优异的性能，蒸馏通量可达0.45 kg/m2hr。这种性能提升归因于PDA的广谱光吸收能力和出色的光热转换能力。在另一项研究中，采用羟基磷灰石（HA）纳米线构建的双层膜实现了0.89 kg/m2hr的蒸馏通量，突显了功能性纳米结构的潜力。此外，研究人员还探索了由蛋壳生物废物制成的生物衍生自由膜，其中碳纳米管修饰的蛋壳膜（cESM-CNTs）在单束太阳照射下表现出卓越的性能，蒸馏通量达到1.11 kg/m2hr，同时保持盐截留率超过99.8%。

更近期的研究表明，基于MXene的涂层在NESMD性能方面取得了显著进展。MXene涂覆的PVDF膜实现了1.27 kg/m2hr的蒸馏通量，光热效率为76.34%。同样，MXene涂覆的聚四氟乙烯（PTFE）膜也实现了0.77 kg/m2hr的蒸馏通量和52.4%的光热效率。这些研究结果表明，NESMD技术在蒸馏通量和光热效率方面表现优异，具有作为可持续、节能海水淡化方案的潜力。

除了实验研究，许多数值模拟也被用于预测NESMD系统的性能指标。这些模拟表明，对于特定的纳米粒子类型和固定的太阳能辐照度，蒸馏通量可以通过调整几何和操作参数显著提升，例如装置长度、进料通道厚度以及进料和渗透液的流速。模拟结果强调了在比较不同NESMD系统的性能指标时，保持一致的操作条件的重要性。这些参数的变化可能导致系统性能出现显著差异，使得难以单独区分纳米粒子或膜材料的影响。然而，这种一致性在不同来源的报告中几乎难以实现。因此，即使使用相同的纳米粒子，不同研究仍可能报告出差异较大的蒸馏通量和光热效率。这种不一致性使得难以进行有意义的比较，这对于将相关研究推进到技术成熟度（TRL）阶梯至关重要。建立一个理论上的最大蒸馏通量上限，有助于规范各种关于性能指标的声明。

本研究通过开发一个实验验证的数值模型和一个理想化的数值模型，旨在预测NESMD系统的最大蒸馏通量。理想化的模型假设膜为纯空气，从而最小化水蒸气扩散的阻力，最大化热传导的阻力。同时，模型假设100%的光热转换效率，没有对流或辐射损失。这些假设有助于消除实际系统中存在的各种损失和限制，从而更准确地预测系统性能。此外，模型还考虑了其他关键的系统参数，如膜厚度、装置长度以及进料和渗透液的流速。通过这些参数的优化，研究进一步探讨了在不同装置长度下最大蒸馏通量和光热效率的预测值。

通过建立理论上的最大蒸馏通量上限，研究为不同纳米粒子和膜材料的实验研究提供了一个性能基准。这一上限涵盖了所有关键的几何和操作参数，使得不同NESMD设计之间的比较更加有意义。此外，该上限也为研究人员提供了一个重要的设计指导，帮助他们优化系统配置，以尽可能接近最大效率。通过明确和理解这一理论上限，研究人员可以更有效地推动实践中的高性能直接接触NESMD系统的开发，从而实现可持续和可扩展的海水淡化方案。

在本研究中，采用了COMSOL Multiphysics 6.0软件设计了一个数值模型，用于预测NESMD系统的蒸馏通量。为了确保模型的准确性和可靠性，还开发了一个实验验证的装置。此外，研究还构建了一个理想化的数值模型，用于估算最大蒸馏通量。这些模型的开发和验证为后续的性能分析提供了坚实的基础。

研究还进行了严格的实验验证，以确保模型的准确性。实验结果与数值模拟结果相吻合，进一步验证了模型的有效性。在结果与讨论部分，研究探讨了不同装置长度下最大蒸馏通量和光热效率的预测值。通过这些预测，研究人员可以更好地理解NESMD系统的性能潜力，并为未来的系统设计提供指导。

最后，研究总结了关键发现，并探讨了这些发现对直接接触NESMD系统设计和部署的更广泛影响。通过建立理论上的最大蒸馏通量上限，研究人员可以更清晰地识别出哪些性能提升是由于材料创新，哪些是由于有利的测试条件。任何声称超过这一理论上限的实验结果，特别是没有包含热回收机制的，都应被严格审查，以排除潜在的测量或建模误差。此外，这一上限为实验人员提供了一个重要的设计指南，帮助他们优化系统配置，以尽可能接近最大效率。通过明确和理解这一理论上限，研究人员可以更有效地推动实践中的高性能直接接触NESMD系统的开发，从而实现可持续和可扩展的海水淡化方案。

综上所述，本研究通过理论分析和实验验证，为NESMD技术的未来发展提供了重要的参考。通过明确最大蒸馏通量和光热效率的理论上限，研究人员可以更好地评估不同系统设计的性能，并指导未来的研究方向，以实现更高的效率。此外，研究还强调了在不同研究中保持一致的操作条件的重要性，这对于推动NESMD技术进入实际应用阶段至关重要。通过不断优化纳米粒子和膜材料的组合，以及调整系统参数，研究人员有望开发出更加高效、经济和可持续的海水淡化方案，为解决全球水资源短缺问题做出贡献。