《Desalination》：Temperature polarization in membrane distillation: Recent advances in diagnostic methods and mitigation strategies
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摘要膜蒸馏为可持续海水淡化和废水回收提供了一条有前景的技术路径。然而，温度极化仍是一个根本性的热力学瓶颈。这种局部现象严重压缩了跨膜蒸气压梯度，并降低了整体热效率。本文系统考察了驱动温度极化的物理机制及其与浓度极化的耦合效应。我们批判性地评估了温度极化系数等定量指标，同时追溯
摘要
膜蒸馏为可持续海水淡化和废水回收提供了一条有前景的技术路径。然而，温度极化仍是一个根本性的热力学瓶颈。这种局部现象严重压缩了跨膜蒸气压梯度，并降低了整体热效率。本文系统考察了驱动温度极化的物理机制及其与浓度极化的耦合效应。我们批判性地评估了温度极化系数等定量指标，同时追溯了界面诊断技术从侵入式物理微探针到先进非侵入式光学映射的演变历程。本文的重点部分探讨了先进的缓解策略。传统被动方法利用流道优化和定制化的膜表面形貌来破坏相邻流体的边界层。此外，我们强调了近期科学范式向主动局部加热方向的转变。光热集成、电磁感应和电阻焦耳加热等新兴技术直接为蒸发界面提供热能。这种主动热管理方式绕过了主体流体阻力，甚至有可能反转边界温度梯度。创新的多相流体力学为侵蚀这些停滞的边界层提供了另一条极具吸引力的途径。未来研究必须优先解决可扩展的能量耦合和持久的抗污染性能，才能使这些主动界面加热概念转化为可行的工业平台。
引言
淡水短缺与快速工业化共同加速了全球对高效海水淡化技术的需求。传统海水淡化严重依赖热蒸馏和反渗透。然而，这些工艺能耗巨大且需要复杂的基础设施[1]、[2]。相比之下，膜蒸馏（MD）作为一种有前景的热驱动分离工艺脱颖而出，可利用低品位废热或太阳能运行[2]、[3]。MD的分离过程由疏水多孔膜两侧的跨膜蒸气压梯度驱动，仅允许蒸气分子从热进料流通过到冷渗透液流。由于该过程不由液压驱动，MD可实现对非挥发性物质近乎完全的截留率（>99.9%），包括无机盐、重金属和非挥发性有机大分子[4]、[5]。因此，它被视为下一代废水处理和非集中式淡化的领先技术[6]。
尽管MD具有巨大的热力学潜力，但温度极化（TP）严重阻碍了其商业化推广[7]、[8]。在MD连续运行过程中，热量从热进料主体传递至活性膜表面[9]。水的快速汽化在进料侧界面消耗潜热，而蒸气冷凝同时在渗透液侧界面释放热量[10]、[11]。这种剧烈的界面焓交换在相邻流体中形成了严重的热边界层[12]。因此，进料界面的实际温度显著低于进料主体温度，而渗透液界面温度则高于主体冷却剂温度[13]。这种寄生性热障极大地压缩了有效跨膜蒸气压差，抑制了整体传质驱动力，并使蒸馏速率降低高达50%至80%。此外，挥发性组分的选择性传输导致非挥发性溶质在界面处积聚，形成浓度极化（CP）层。TP与CP深度耦合。浓度边界层改变了局部流体物性，进一步加剧了热阻，导致过程性能严重下降[9]、[14]、[15]。
MD中极化现象的后果远超渗透通量的简单降低。首先，TP显著降低传热效率。由于膜表面的实际热梯度远小于主体流体梯度，导致边界层增厚，阻碍了有效的能量利用[12]、[16]。其次，驱动力的丧失造成了严重的能量惩罚，需要额外的热输入才能维持目标产水速率，严重挑战了该技术的经济可行性[14]。第三，进料界面处降低的局部温度极大地增加了膜结垢的风险[17]、[18]。较低的表面温度加速了难溶无机盐的过饱和、积聚和非均相结晶，引发严重的膜污染。一旦结垢层形成，它们将作为二次物理屏障进一步降低传热和传质系数，加速通量的灾难性崩溃[19]、[20]。因此，有效缓解TP对于降低比能耗、维持高渗透通量和延长膜的使用寿命至关重要。
现有文献已广泛研究了经典模块设计和理论建模[6]、[21]。例如，综合性的综述文章记录了利用被动物理间隔件和标准聚合物改性来克服TP的传统方法。然而，关于过程强化中最新范式转变的研究空白仍然显著存在。先前的综述文章讨论了膜蒸馏中温度极化的互补方面。Suleman等人[9]综合了TP和CP的基本机制、经典传输模型以及主要限于2020年之前标准DCMD和VMD配置的实证发现。Anvari等人[22]专注于传统被动TP缓解，详细阐述了早期膜结构定制和基本流促进器的应用，而Farid等人[23]则提供了进料加热架构的广泛概述。然而，综合来看，这些基础性调查反映的是五年多以前的技术格局，且早于近期高分辨率热诊断、先进3D打印流体促进器和界面自加热范式的涌现。因此，迫切需要一种及时的、综合性的评估，以捕捉过去五年（2021–2026）的快速进展，在统一框架下明确连接构型特定的传热路径和标准化的TPC公式，并对近期界面热诊断和多尺度缓解策略进行批判性比较。亟需批判性地评估新颖的局部界面加热策略，包括先进的光热和电磁感应方法以及多相流体力学。为应对这些关键限制，本综述提供了针对旨在缓解温度极化的新兴策略的全面和更新的分析[8]。通过整合主动局部加热和先进流体力学的最新进展，本文描绘了一条清晰的研究路线图，聚焦于下一代膜蒸馏系统中优化能量利用和最大化产水[8]、[24]。据此，本综述围绕三个核心支柱，对过去五年（2021–2026）的研究进展提供了及时而批判性的评估：（i）综合DCMD、VMD、AGMD和SGMD的构型特定传热路径，同时评估从微观接触探针到非接触光学热映射的热诊断技术近期演变。（ii）基于边界层破坏机制和运行限制，系统基准测试3D打印间隔件拓扑、微通道纹理化和多相流体动力学的近期进展。（iii）批判性评估近年来开发的、从根本上反转传统热极化的新兴局部自加热突破（光热、电热/焦耳和感应）。
章节摘要
传热
在典型的MD过程中，热能的传输通过三个连续步骤发生：首先，热量通过对流从热进料主体跨越进料侧热边界层传递至进料侧膜表面。其次，跨膜传热涉及通过聚合物膜基体的显热传导以及由充满气体的孔隙中迁移的水蒸气携带的潜热传输。第三，热量通过对流从
侵入式检测
接触式温度传感，利用微型探针和固态传感器直接集成到膜模块中，是历史上最为成熟的捕获驱动膜蒸馏过程的热梯度的方法。在典型的平板构型中，微型热电偶或热电阻温度探测器被物理定位在流体通道中，用于监测边界层和界面温度。同时，
操作条件对TPC的影响
TPC是评估膜蒸馏系统热效率的关键无量纲指标，反映了主体温差中成功建立跨活性膜界面的比例。在理想化的高度混合场景中，流体边界层阻力可忽略不计，TPC趋近于1。相反，在由严重热边界层阻力主导的系统中，TPC趋向于0。在实际
膜蒸馏中温度和浓度极化的缓解策略
MD的工业可行性受到TP和CP边界层协同发展的严重制约，这些边界层逐渐消耗驱动力并加速矿物结垢。为克服这些传输限制，近期的过程强化工作聚焦于三个主要维度：膜改性、进料通道优化和模块放大。这些干预措施的总体目标是破坏紧邻
总结
总体而言，本综述得出以下四个主要结论。膜蒸馏继续作为可持续水净化和盐水浓缩的高度通用技术崭露头角。本综述强调，温度极化仍是限制整体过程效率的最主要热力学瓶颈。对流热补充是关键边界层瓶颈，约占边界层热传输的67%–70%。
我们
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金（52400081）和中央高校基本科研业务费专项资金（21625401）的资助。
陈浩靖|余婷|谭俊豪|蔡泊声|王张鑫|商文涛
