四川
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成果掠影 & 研究背景
在全球化背景下，世界人口增长、工业化推进及农业灌溉规模扩大，令淡水需求呈井喷式上升，而淡水资源总量有限且分布不均，使得全球淡水资源短缺问题日益严峻。与此同时，工业等领域高盐废水产生量不断增多，处理高盐废水对缓解水资源紧张与减少环境污染至关重要。传统膜蒸馏技术曾是处理高盐废水的重要手段，但其能耗过高，运行时需大量能源维持蒸馏条件，极大增加处理成本，且温度极化效应严重，膜蒸馏中热量传递不均匀，使膜表面液体与主体溶液温差显著，不仅降低蒸馏效率，还可能造成膜污染损坏，影响处理系统稳定性与使用寿命，种种问题致使其难以满足当下高盐废水处理的迫切需求。
针对这一挑战，题为“Ceramic-carbon Janus membrane for robust solar-thermal desalination”的工作开发了一种新型陶瓷-碳Janus膜，成功将太阳能热转换与高效脱盐相结合。该膜通过异质结构设计，在氧化铝陶瓷基底上生长超疏水碳纳米管（CNT）层，实现了66.8-68.8%的太阳能热转换效率，水通量高达5.1 L/m²/h（处理35 g/L盐水），且对90 g/L高盐废水仍保持3.3 L/m²/h通量和99.9%的脱盐率。分子动力学模拟揭示了CNT界面通过削弱水分子氢键网络降低蒸发能垒的机制，为下一代高效脱盐膜设计提供了新思路。
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研究内容 & 图文数据
（1）太阳能增强型膜界面设计
要点精读：
1.创新Janus结构：陶瓷基底（亲水）+ CNT层（超疏水）
2.独特制备工艺：化学气相沉积（CVD）实现3.5μm厚CNT层
3.超疏水表面：接触角168°，孔隙率80.8%，抗结垢性强
4.低热导率（0.52 W/m·K）有效缓解温度极化
5.光谱吸收率98.1%（300-2400 nm波段）
图1 膜设计流程与太阳能热脱盐过程示意图
（2）太阳能热脱盐性能验证
要点精读：
1.1 kW/m²光照下膜表面温度升至51℃，比无光照提升27.6℃
2.处理90 g/L盐水时通量达3.3 L/m²/h，优于多数聚合物膜
3.流速优化实验显示2.2 L/h为最佳操作参数
4.连续运行25小时性能无衰减
图 2 膜结构表征与表面性质对比
图 3 太阳能热转换性能与热导率分析
图 4 脱盐性能测试与对比
（3）传热传质机制解析
要点精读：
1.计算流体力学模拟验证温度梯度提升驱动力的核心作用
2.克努森数（Kn=0.72-0.81）揭示Knudsen扩散与粘性流协同机制
3.分子动力学模拟显示CNT界面氢键数量减少61个（313K）
4.蒸发能垒降低至5426.95 kcal/mol（比纯水体系低3.6%）
图 5 传热传质模拟结果
图 6 分子动力学界面蒸发机制
（4）实际应用潜力验证
要点精读：
1.海水处理通量稳定在3.1 L/m²/h，脱盐率>99.9%
2.抗硫酸钙结垢实验显示通量保持率超过95%
3.机械强度达96.4 MPa，适用于高压操作环境
图 7 实际应用潜力验证
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总结 & 原文链接
本研究通过陶瓷-碳异质结构设计，成功开发出兼具高太阳能热效率、优异机械强度和长效稳定性的Janus脱盐膜。创新点包括：①首创CNT/陶瓷Janus结构实现光热协同效应；②解析界面水分子氢键重构降低蒸发能垒的分子机制；③验证了90 g/L高盐废水处理可行性。该技术为离网地区海水淡化提供了高效解决方案，推动膜蒸馏技术向低碳化发展迈出关键一步。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57888-2
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