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随着水资源短缺加剧，膜蒸馏（MD）技术用于海水淡化备受关注。研究人员基于格子 Boltzmann 法（LBM），研究新型膜材料特性对真空膜蒸馏（VMD）性能影响。结果显示多种因素影响渗透通量，该研究为优化 VMD 性能提供参考。
水资源，是生命之源，然而全球水资源短缺的问题却日益严峻。地球表面虽有超过 70% 被水覆盖，但其中 97% 是海水，剩余 3% 的淡水资源里，人类能直接取用的地下水和地表水也只是一小部分。为了应对这一难题，海水淡化和水过滤技术不断发展，膜蒸馏（MD）技术作为其中的创新力量，逐渐走进人们的视野。
MD 技术结合了膜技术与蒸馏原理，与传统的反渗透技术相比，它能在非等温条件下运行，利用温度梯度驱动水蒸气透过半透膜，然后在渗透侧冷凝成水。这使得 MD 可以在常压下工作，不仅延长了膜的使用寿命，还降低了能耗。同时，MD 对无机化合物的截留率极高，能利用低品位热能，系统设计也更为紧凑，在海水淡化、乙醇回收、环境保护、放射性废物处理等多个领域都展现出了巨大的潜力。
不过，MD 技术在商业化的道路上并非一帆风顺。其中，渗透通量下降、膜降解和孔隙润湿等问题成为了阻碍其发展的 “拦路虎”。在 MD 系统中，渗透通量受到传热传质过程的影响，而这些过程又与操作条件以及膜的特性密切相关，像膜厚度、孔隙率、曲折因子、孔径和孔隙分布等。以往的研究虽然对 MD 进行了不少探索，但并没有全面考虑不同参数对其性能的影响，且常依赖简化模型或经验关联式，难以准确把握 VMD 系统中复杂的传热传质相互作用。
为了突破这些困境，来自国内的研究人员开展了一项重要研究。他们以真空膜蒸馏（VMD）为研究对象，利用格子 Boltzmann 法（LBM）建立模型，深入探究膜特性对 VMD 性能的影响。这项研究成果发表在《Desalination》上，为 MD 技术的发展带来了新的曙光。
研究人员在此次研究中，主要运用了两种关键技术方法。一是采用格子 Boltzmann 法（LBM）对 VMD 过程中的传热传质现象进行建模。相较于传统计算流体力学（CFD），LBM 能更好地处理复杂流动，在捕捉相界面演变、处理多物理场耦合问题以及模拟相变现象方面具有显著优势，大大提高了模拟的准确性和可靠性。二是制备了新型的聚（四乙炔基芘）（PTEP）膜，通过快速固态 Glaser 偶联反应获得其多孔结构，为研究新型膜材料在 VMD 中的应用提供了基础。
结果与讨论
- 膜特性和操作条件对渗透通量的影响：研究人员利用建立的 VMD 模拟模型，考察了膜的关键特性（孔隙率、孔径、润湿性、膜厚度和曲折因子）以及操作条件（温差和真空压力）对膜传输行为的影响。结果发现，渗透通量与孔隙率呈线性正相关，孔隙率的增加为水蒸气传输提供了更大的蒸发表面积，促进了水蒸气的转移；与曲折因子呈指数负相关，曲折因子增大，水蒸气扩散路径变得更加曲折，阻碍了其传输。存在一个最优膜厚度（2μm），超过这个厚度，渗透通量会呈指数下降，合适的膜厚度能有效降低传质阻力。此外，渗透通量还随温差和孔径的增大呈指数增加，较大的温差和孔径有利于水蒸气的扩散和传输。
- 膜表面润湿性对渗透通量的影响：进一步分析膜表面润湿性的影响发现，随着膜疏水性的增强，渗透通量增加。这是因为疏水性更强的膜表面更有利于水蒸气的通过，减少了液体在膜孔内的残留和阻碍。
- 各因素对渗透通量影响的显著性排序：通过研究还得出，进料温度和曲折因子对渗透通量的影响最为显著，其次是膜厚度和孔径，而真空压力的影响相对最小。这一结果为在实际应用中优化 VMD 系统提供了重要的理论依据，明确了在调节 VMD 性能时应重点关注的因素。
研究结论与意义
综合上述研究结果，该研究明确了多种膜特性和操作条件对真空膜蒸馏渗透通量的影响规律。较高的膜孔隙率和优化的膜厚度能显著提高渗透通量，这一发现为设计高性能的 VMD 膜提供了关键指导。同时，研究还揭示了各因素影响的显著性差异，有助于在实际操作中更有针对性地调整参数，以实现 VMD 效率的最大化。此外，新型 PTEP 膜的引入和研究，为探索更优质的膜材料开辟了新方向。该研究成果不仅为真空膜蒸馏技术的优化提供了理论支持，也为其在海水淡化等领域的广泛应用奠定了坚实基础，推动了膜蒸馏技术朝着更高效、更实用的方向发展。
