重新审视感应加热膜蒸馏技术：从提高通量效率到实现耐用且节能的设计

《ACS ES&T Engineering》：Reframing Induction-Heated Membrane Distillation: From Flux Enhancement to Durable, Energy-Efficient Design

感应加热膜蒸馏（IH-MD）通过电磁场局部加热提升海水淡化效率，但面临材料腐蚀、能量传递损失及标准化评估缺失等挑战。研究提出能量捕获效率κ与热效率TE的联合评估框架，强调需开发耐腐蚀材料、优化线圈结构并建立长期耐用性测试标准。

　　膜蒸馏（Membrane Distillation, MD）作为一种热驱动的脱盐技术，长期以来因其在处理高盐度卤水和实现零液排放方面的潜力而受到关注。然而，该技术在实际应用中面临诸多挑战，主要包括高能耗、低热效率以及在恶劣条件下容易发生污染或材料降解等问题。为了应对这些问题，研究者们提出了界面加热策略，包括光热、焦耳加热和感应加热等方法，旨在将热量集中在膜的表面，从而减少整体加热过程中的能量损失。其中，感应加热膜蒸馏（Induction Heated Membrane Distillation, IH-MD）作为一种新兴技术，通过利用交变电磁场在磁响应性涂层（如Fe?O?）中产生涡电流，实现局部加热，从而提高蒸发速率。尽管这种界面加热方式可以提升膜蒸馏的性能，但其能量效率并不一定随之提高，因为大量的输入能量可能通过传导、寄生路径或非均匀的电磁场/温度分布而损失。此外，与传统加热方式不同，IH-MD依赖于在膜界面集成的功能材料，这对材料的稳定性、安全性和可扩展性提出了更高的要求。

在IH-MD的实际应用中，界面材料的耐久性是一个关键的运行风险。功能涂层和聚合物基底在高盐度、氧化性环境中可能受到腐蚀或氧化溶解的影响，导致涂层与基底之间的剥离，进而影响系统的性能。例如，基于铁（Fe）的纳米材料在酸性或富含氯离子的环境中容易发生氧化溶解，限制了其长期稳定性。FeS层虽然可以提供一定的临时保护，但其在氧化条件下会转化为更不稳定的化合物（如FeSO?），并且在有氧环境下可能会释放Fe2?。为了解决这些问题，研究者们正在探索替代材料，如掺杂陶瓷和碳基纳米材料，以提高其在严苛MD条件下的耐腐蚀性。

除了材料本身的耐久性，界面中的粘合剂和锚定材料也构成了另一个常被忽视的耐久性限制因素。这些材料在高温、高盐度和碱性条件下可能经历水解、膨胀或溶解，导致纳米颗粒脱离，失去界面加热能力，甚至引发结构失效。例如，聚乙烯醇（PVA）在某些情况下表现出缓慢的降解特性，这种特性在短期测试中难以察觉，从而隐藏了长期的材料老化路径。当前的耐久性评估主要关注短期指标，如初始通量下降、颜色变化和金属离子的释放，而较少跟踪在长时间电磁暴露下材料的疏水性、结构凝聚力和热性能的变化。因此，迫切需要建立标准化的长期测试协议，以模拟动态的进水盐度、波动的pH值和真实的电磁场环境。

为了准确评估IH-MD的能量转换或利用效率，需要将界面能量与总输入功率区分开来。许多关于界面加热增强膜蒸馏的研究报告中，热效率（Thermal Efficiency, TE）通常被定义为蒸发热负荷与不同输入形式（如入射光、总电能输入或模块内的估计热能）的比值。然而，这种传统方法将总输入能量与实际吸收的能量混为一谈，掩盖了真实利用效率。为此，引入了一种新的能量利用效率指标κ，它定义为输送至界面的能量（Q_delivered）与总名义输入能量（Q_in）的比值。通过实验测定κ值，可以发现IH-MD的性能主要受限于能量是否能够有效传递至界面。例如，在Q_in = 2.74 kW的条件下，通过监测DI水滴在Fe?O?功能化膜表面的温度升高，实验测得κ ≈ 0.2004，意味着仅有约20%的输入能量被有效传递至界面（Q_delivered ≈ 0.549 kW）。应用这一修正后，热效率从0.117%提升至0.58%，这更准确地反映了实际吸收能量的利用情况，尽管这一数值仍远低于光热或焦耳系统的报告值。实验测定的κ值在图1中进行了总结，该图展示了在不同水滴体积下，Q_delivered/Q_in的效率变化。这一分析强调了能量传递损失的重要性，这些损失主要来源于线圈与界面之间的距离、涡电流的消散、频率不匹配以及热质量效应等因素。因此，未来的发展需要在催化剂与膜的耦合、减少寄生损耗以及重新设计线圈结构等方面进行改进，以提高能量捕获效率。同时，系统性地量化输送能量与输入能量之间的差异、进行长期材料耐久性测试以及优化线圈与膜的设计，是推动IH-MD技术发展的关键。

从长远来看，IH-MD的前景取决于两个相互关联的挑战：在恶劣化学环境中维持界面材料的稳定性，以及最大化能量传递至膜界面的效率。因此，应优先考虑材料的耐久性，采用耐腐蚀的感应材料和坚固的粘合剂，同时结合能量传递意识的评估方法，如κ和TE，以实现公平的比较和实际的设计优化。我们建议在该领域内建立标准化的报告体系，包括报告的输入功率、耦合功率和输送功率、加热面积、平均通量、κ的测量方法以及在真实化学环境和电磁场条件下的耐久性测试协议，以确保透明的基准和可重复的进展。只有在证明了κ的显著提升并验证了长期耐久性之后，IH-MD才能从概念验证阶段迈向可部署、高效能的脱盐解决方案。