淡水短缺已成为一个突出的全球挑战，由于气候变化和快速城市化和工业化，其严重性将进一步增加。为了减轻环境风险并提高淡水利用效率，高盐废水淡化近年来引起了高度关注。由于这些废水的渗透压通常超过反渗透的允许工作压力，因此需要采用热脱盐技术。膜蒸馏（MD）是一种新兴的热脱盐技术，已有五十多年的历史，但主要由于使用疏水膜，该技术尚未广泛商业化。

基于此，广东工业大学王樟新教授和耶鲁大学Menachem Elimelech教授合作开发了一种新型无膜热脱盐技术--织物蒸馏（FD），它是替代膜蒸馏 MD 的变革性技术。织物蒸馏与 MD 的工作原理相似，但不同之处在于采用亲水性织物而非疏水膜进行水蒸气分离。研究人员概述了 FD 对理想织物的要求，并说明普通亲水棉布和亚麻布也适用。随后，他们提出了可行的 FD 配置，并进行了实验演示。通过严格的模块规模分析，他们发现 FD 的热脱盐性能优于 MD，同时还阐明了膜或织物与盐水中无处不在的物质之间的相互作用，并通过实验证明了 FD 在实际应用中的前景。最后，他们强调了 FD 相对于 MD 的优势，并对 MD 用于海水淡化的合理性提出了质疑。相关研究成果以题为“Transforming membrane distillation to a membraneless fabric distillation for desalination”发表在最新一期《Nature Water》上。本文第一作者为陈袁妙梁。王樟新教授与陈袁妙梁均为90后。

 

【设计策略】

 

MD的困境提出了一个问题：蒸馏过程真的需要膜吗？毕竟，MD过程中的膜并不参与真正的分离过程。

在MD中，淡水和非挥发性溶质（例如盐）的分离是通过给水的蒸发来实现的，而疏水膜仅维持稳定的气液界面以供给水蒸发（图1a）。因此，虽然疏水膜可以通过提供扩大的蒸发面积来提高蒸馏效率，但对于蒸馏过程本身来说并不是必需的。受纺织品中芯吸现象的启发，作者假设亲水织物像疏水膜一样也可以建立稳定的气液界面以实现汽水分离（图1b）。

图 1. 进料蒸发示意图

【FD工作原理】

 

FD的工作原理如图2a所示。在FD中，弯曲的亲水织物充当给水流动的介质。将织物的一端浸入加热的给水中，而织物的一端浸入加热的给水中。水蒸气被收集并冷凝后产生淡水，从而实现给水的淡化。基于FD的工作原理，其关键成分是亲水织物。为了维持成功的FD操作，亲水织物必须满足两个要求：织物中给水的毛细管上升应足够高以达到弯曲点；织物应具有足够的渗透性，以使给水能够流动。

 

根据Kozeny-Carman方程，织物的渗透性(K)取决于其孔隙率(ε)和纱线直径(d_y)。如图2b所示，给定固定的θ，h₁随着a的增加而减小，并且给定固定的a，h₁也随着θ的增加而减小。对于给定的ε，K随着d_y的增加而增加，并且对于给定的d_y，K也随着ε的增加而增加（图2c）。对于给定固定的h₂，v随着K的增加而增加，而给定固定的K，v随着h₂的增加而增加。

实验结果表明，FD通过利用弯曲的亲水织物来促进给水流动、诱导蒸发并保留盐分，最终产生淡化淡水。对于FD系统的设计，织物弯曲点的高度不应超过织物中给水的毛细管上升。织物中的进料流速是可调的，并且可以通过织物特性和虹吸管的高度来确定。重要的是，低成本的棉或亚麻织物可以用作实际FD系统中的亲水织物。总体而言，FD是一种非常实用的无膜热海水淡化技术，可以使用常用材料构建。

 

图 2. FD工作原理

【FD海水淡化技术】

 

与 MD 一样，FD 可以根据蒸汽收集和冷凝的途径以三种不同的配置进行操作（图3）。图3a示出了气隙FD（AGFD）的配置，其采用气隙、一对冷凝板和两股冷却剂流来进行蒸汽收集和冷凝。吹扫气 FD (SGFD) 示意图如图 3b 所示。图 3c 描绘了真空 FD (VFD) 的示意图。所有织物都可以维持成功的 AGFD 操作，但蒸气通量随所使用的织物而变化（图3d）。实验结果清楚地表明AGFD可以作为一种可行的热海水淡化技术。

图 3. FD 作为一种可行的海水淡化技术

【海水淡化性能】

 

MD和FD的海水淡化性能比较如图4所示。与亲水性织物相比，疏水性膜导致了额外的蒸汽传输阻力。与MD相比，FD具有更小的阻力，具有更高的产水率和更高的能源效率。值得注意的是，在R_M,m接近于零的理想情况下（即具有高蒸汽渗透性的MD膜），MD的性能将变得更接近FD的性能（图4a-c中的红色和蓝色区域）。该分析不仅证明FD是一种有效的热脱盐技术，而且对使用疏水膜进行蒸馏的基本原理提出了质疑。

图 4. MD 和 FD 的脱盐性能比较

【挑战】

 

为了证明一项技术的实际可行性，除了产水率和能源效率之外，还需要评估其稳健性。实际MD应用面临三个突出的挑战：膜润湿、污垢和矿物结垢。由于FD与MD具有相似的配置，为了评估FD的稳健性，作者比较了MD和FD在面临相同挑战（即膜润湿、污染和矿物结垢）时的性能（图5）。FD利用亲水织物代替疏水膜，并且基于FD的工作原理，在FD操作中亲水织物默认被进料溶液润湿（图5b）。因此，润湿不再是FD中的问题。在FD操作中，当给水在毛细作用下进入亲水织物时，给水中的大量疏水性污染物将在入口处被排除（图5b），表现出更强大的防污能力。此外，由于MD膜和织物表面的盐浓度分布不同，与MD相比，FD所经历的矿物质结垢程度较轻（图5e）。因此，FD成为一种非常有前景的热海水淡化技术，具有实际应用前景。

 

图5.实际挑战对MD和FD运行的影响

【系统比较】

 

为了验证FD的可行性，作者系统地比较了FD和MD的海水淡化性能和鲁棒性（图6）。MD使用疏水性膜，而FD使用亲水性织物（例如棉和亚麻）。尽管疏水性膜可在市场上买到，但它们比随处可见的亲水性织物更难获得且更昂贵。因此，就材料可用性而言，MD和FD的评级分别为3和4。根据工作原理，MD和FD都可以在气隙配置、吹扫气体配置和真空配置下运行，就可用配置而言，MD和FD分别获得4和3的评级。从模块规模分析，FD作为一种无膜技术，通过消除疏水膜的传质阻力，在海水淡化性能上优于MD。因此，对于产水率和能源效率，MD和FD分别被评为3和4。由于MD面临膜润湿、污垢和结垢三大突出挑战，因此其稳健性评级为1。相比之下，通过用亲水织物替代疏水膜，FD可以克服MD面临的所有三个挑战，从而获得4的高评级。雷达图表明FD在几乎所有方面都优于MD。

 

图6.全面比较MD和FD的雷达图

【作者简介】

 

陈袁妙梁，广东工业大学生态环境与资源学院博士后，博士毕业于新加坡国立大学，获博士后特别资助、广东省博士后海外人才引进计划等，以第一（含共同第一）作者在Environmental Science & Technology（3篇）、Environmental Science & Technology Letters（2篇）等期刊发表论文10篇。

王樟新，1991年出生，广东工业大学生态环境与资源学院教授，国家高层次青年人才，主要从事膜法水处理技术方面的研究，在Science Advances, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊发表论文30余篇，获授权美国发明专利1项、国家发明专利4项，担任Chemical Engineering Journal Advances、环境工程学报青年编委，IWA-YWP委员。