大连理工贺高红教授、姜晓滨教授AFM：有序微纳结构的Janus膜实现低温差水蒸发过程强化

全球水资源短缺压力不断增大，海水淡化是缓解淡水危机的有效途径。然而，传统的海水淡化方法，如反渗透和多级闪蒸等，通常在高压或高温下操作，存在能耗较高的问题。新兴的基于低温热源的海水淡化技术，如膜蒸馏技术，可以利用低品位热源进行海水淡化，从而降低能耗，提高能源利用效率。膜材料作为膜蒸馏系统的核心部件，直接影响膜蒸馏系统的传质效率、通量和稳定等关键参数。因此，对膜材料进行结构优化，开发具有高水通量和低蒸发焓的膜蒸馏用膜有望降低系统运行成本，推动膜蒸馏技术的广泛应用。

近期，大连理工大学化工学院贺高红教授和姜晓滨教授团队在《 Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Insights Into Janus Interfaces with Ordered Micro/Nanostructures for Low-Temperature Differential Evaporation”的文章。本工作设计了一种具有有序微/纳米孔的Janus膜结构，通过理性调控膜材料的微纳结构和界面性质，用于低温差下（△t＜20℃）的膜蒸馏海水淡化过程强化，并进一步揭示了膜界面复合结构对中间态水分子传输、微纳米尺度蒸发相变的作用机理。

（1）有序微纳米孔道Janus膜结构制备及膜蒸馏性能

研究团队采用单侧浸泡法，制备了系列不同孔径及接触角梯度变化的Janus膜。通过SEM、AFM、XPS、WCA等表征手段，证实了具有有序排列垂直孔道及不对称润湿性Janus膜的成功制备（图1）。随后，通过自主设计的低温差膜蒸馏装置，探究了Janus膜对水蒸发速率的影响。实验结果表明，Janus膜通量表现出明显的孔径和接触角依赖性，随着孔径及接触角的下降，通量表现出增加的趋势。优化的Janus (20 nm) 95°/25° 膜在45℃（进料侧）/25℃（渗透侧，常压）下的蒸发通量达2.4 kg m −2 h −1，为纯水蒸发的2.5倍（图2）。

图1有序微纳结构Janus膜的制备与表征

图2有序微纳结构Janus膜的促进水分蒸发性能

（2）膜孔径对蒸发界面和微观传热的影响机理

进一步，研究团队运用理论计算和动态模拟阐明了Janus膜促进水蒸发的潜在机制。Janus膜的亲水层的直通孔道具有强大的毛细作用力，水蒸发界面被推进到孔内亲/疏水界面处，最大限度地缩短了蒸汽传输路径。在表面张力及壁面效应的作用下，水在孔内呈现凹液面，靠近壁面形成的薄水层具有类似于“纳米壁炉”的效应，水分子可以更快地获得热能，并以更快的速度转化为气态状态，进而促进水的蒸发过程；通过3D打印微通道内液面观测实验合理外推，随着孔径的减小，凹液面的曲率增加，薄水层占比上升，从而增强了壁面处的微尺度传热，促进了水的蒸发（图3）。

图3膜孔尺寸对蒸发性能的影响

（3）Janus膜降低水蒸发焓的机理

在蒸发过程中，当水分子从液态转变为气态时，需要吸收一定量的热量，这个热量被称为蒸发焓。蒸发焓的大小取决于水分子的状态转变过程中涉及的能量变化，包括液态水分子的内能、表面张力以及水蒸气的潜热等。在本研究中，Janus膜亲水层的孔壁含有丰富的羟基，可以与附近水分子结合，从而破坏主体水分子之间的氢键，促进中间水的生成。水分子之间的相互作用力减弱，蒸发所需热量减小，显著降低了蒸发焓（仅为纯水蒸发的30%）。且孔径小、接触角低的Janus膜具有更多与水分子结合的活性位点，因此表现出更低的蒸发焓。流体力学模拟表明，随着孔径的减小，微尺度涡流的形成受到抑制，抑制了中间水的返混，促进了水的蒸发（图4）。

图4Janus膜纳米孔对水蒸发焓的影响

小结：本研究开发了一种新型微/纳米直通孔道Janus膜，其能够在低温差下显著提高水蒸发速率，进而揭示了一种通过协同调控膜微/纳米结构和润湿性来强化蒸发的新策略。结果表明，在Janus膜孔内，凹液面增加了薄水层的比例，从而增强了壁面处的微尺度传热；较小的纳米孔限制了液气界面微尺度涡旋的发展，并防止了界面处中间水的返混，促进了水的蒸发（图5）。这种设计策略和强化机制为未来的微纳米结构薄膜在海水淡化和水处理领域的应用提供了重要的指导和理论基础，对于开发高效低能耗的海水淡化技术具有潜在的重要意义。

图5Janus膜促进水蒸发的机制分析

作者团队及项目支持简介

该论文共同第一作者为大连理工大学化工学院博士生孙冰和吴梦园博士（已入职华北电力大学），通讯作者为大连理工大学化工学院贺高红教授、姜晓滨教授和贾元东博士后。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金项目和大连市科技人才创新支持计划的支持。

通讯作者：

贺高红 教授

贺高红，大连理工大学教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，精细化工国家重点实验室主任，智能材料化工前沿科学中心执行主任，第八届国务院学科评议组成员，国家基金委创新研究群体负责人，中国石化联合会创新群体负责人，享受国务院政府特殊津贴，国家有突出贡献专家，“新世纪百千万人才工程”国家级人选，中国化工学会会士，“兴辽英才计划”杰出人才，辽宁省优秀专家、杰出科技工作者，辽宁省教学名师。两次获得国家科技进步二等奖（2018年、2010年）及中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖（2017年、2009年），获得中国石油和化学工业联合会科技创新团队奖、侯德榜化工科学技术奖，中国发明专利金奖，第十五届中国专利优秀奖，2017日内瓦国际发明展览会特别嘉许金奖等。

姜晓滨 教授

姜晓滨，大连理工大学教授，博士生导师，国家级青年人才。现任大连理工大学化工学院副院长，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室主任。国家重点研发计划青年科学家项目负责人，基金委创新研究群体核心成员。主要从事膜结晶和化工过程耦合强化研究。在 AIChE J、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Engineering、Chem. Eng. Sci.、J. Membr. Sci.等期刊发表SCI论文80余篇。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家重大科研仪器研制项目子课题、面上项目、“兴辽英才”计划项目、大连市杰出青年科技人才项目、彤程青年发展基金、企业研发项目等20余项。曾荣获国际杰出青年化学工程师奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国颗粒学会青年颗粒学奖、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖等；作为主要完成人，获国家科技进步二等奖1项、国际发明展特别金奖1项。

贾元东 博士后

贾元东，博士，2022年毕业于日本神户大学先端膜工学研究中心，师从松山秀人教授。回国后进入大连理工大学化工学院从事博士后研究，合作导师为贺高红教授（杰青、长江学者特聘教授）和姜晓滨教授（国家级青年人才），主要从事超亲水功能材料在膜污染中的应用，突破了原膜单一抗污染性能，实现向多抗性能的转变，获得了一系列具有创新性的研究成果。在国际著名期刊 Nat. Commun.、Water Research、Nano Lett.、J. Membr. Sci.、J. Mater. Chem. A等发表SCI论文20篇，其中第一作者或通讯作者发表8篇（7篇1区），申请日本专利一项及国内专利一项。主持中国博士后科学基金-面上项目、辽宁省博士启动基金，参与国家自然科学基金面上等项目，并主持参与多项公司横向项目。

共同第一作者：

孙冰 博士

孙冰，大连理工大学化工学院博士研究生。主要研究方向：膜蒸馏用膜的结构设计制备。在 Adv. Funct. Mater.、Desalination等期刊发表论文4篇，参与国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金项目2项。

吴梦园 博士

吴梦园，博士，2023年毕业于大连理工大学化工学院，师从贺高红教授和姜晓滨教授，现任华北电力大学环境科学与工程系讲师，主要从事高效分离膜研制及其在水处理领域的应用。以第一作者/通讯作者身份在 Adv. Funct. Mater.、J. Membr. Sci.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Sep. Purif. Technol.等期刊发表论文9篇，主持河北省自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费面上项目2项。

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原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202406272

来源：高分子科学前沿

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