光热转化膜蒸馏——老过程，新招数

地球约有四分之三的面积被水覆盖着，但绝大部分是海水，与人类生活密切相关的淡水资源却极其缺乏。海水淡化是未来解决淡水资源问题的重要途径之一。传统的蒸馏以及反渗透膜过程是研究与应用最广泛的海水淡化技术。最近，通过光热转化来实现海水蒸馏的研究炙手可热，从Nature子刊到Advanced Materials系列期刊都常常能看到。这不，Advanced Materials近期又刊发了一篇与此相关的论文，在这项工作中，意大利卡拉布里亚大学的Efrem Curcio教授课题组将传统的膜蒸馏技术与光热转化结合在了一起。想知道它们在一起碰撞出了哪些新的火花吗？今天小编就带大家一起来读一读这篇大作。（Photothermal Membrane Distillation for Seawater Desalination. Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603504）

事实上，膜蒸馏可以算的上是一个比较“古老”的研究课题了，它将膜过程与蒸馏过程结合起来，以膜两侧的温度差（即蒸汽压差）为驱动力，让料液在膜表面蒸发，蒸汽通过膜孔，在另一侧冷凝，从而实现蒸馏过程。从上述过程中可以看出，温度差作为分离的驱动力至关重要，而在膜蒸馏过程中，“温差极化”现象是影响其性能的主要因素之一。所谓“温差极化”，是指在膜蒸馏过程中，由于料液会在膜表面蒸发，因此需要吸收大量的热量，导致在膜表面处的温度要低于本体的温度，即实际驱动力有所降低。

温差极化及银纳米粒子作用示意图。图片来源：Adv. Mater.

为了解决这一问题，Curcio教授课题组的研究人员将上面提到的光热转化过程应用到膜蒸馏之中。他们将银纳米粒子（Ag NPs）掺杂在聚偏氟乙烯（PVDF）膜中，通过Ag NPs的等离子体共振光热效应提高了边界层的温度，有效提升了界面处的膜蒸馏驱动力。

减少纳米粒子的尺寸能够提高纳米粒子表面的温度，但同时会减小吸收面积。通过对纳米粒子热效应的综合考虑，他们计算出粒径在25-35 nm的纳米粒子较为适宜（他们制备的纳米粒子为31±4 nm）。然后，他们将纳米粒子掺杂在铸膜液中，通过非溶剂致相分离过程制备了Ag NPs掺杂的复合膜。

含Ag NPs的聚偏氟乙烯膜。图片来源：Adv. Mater.

与之前所报道的光热转化用于海水蒸发不同，在这份工作中，膜被安置在了装置的下方，料液在膜的上方通过，而紫外光则是通过料液上方的透明石英视窗照入装置中。另一方面，研究者选择了VMD，即真空膜蒸馏过程（在VMD过程中，膜的一侧通过高温料液，另一侧则为真空）。

VMD实验装置。图片来源：Adv. Mater.

膜蒸馏过程在30 ℃下进行。在紫外光照射下，装置内的温度会有所上升（约2.5 ℃），当使用负载Ag NPs的膜时，则温度会进一步上升约2 ℃左右。相较于空白膜，负载了纳米粒子的膜的过膜通量提高了9-11倍。传统的膜蒸馏过程中，料液本体温度要高于膜表面的温度，而在这份工作中，膜表面温度则远高于本体温度，从而解决了温差极化现象。光热转化产生的热量是纯水蒸发所需潜热的1.7倍，对于盐水则是两倍。

膜温度及过膜通量与Ag NPs含量的关系。图片来源：Adv. Mater.

在能量消耗方面，真空膜蒸馏装置相较于反渗透装置低25%。实验中所展示的概念中用到了紫外光灯，因此能耗较大。不过，通过对上述过程的改进，有望将这一过程应用到太阳光的膜蒸馏过程之中。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603504/full

（本文由YHC供稿）