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膜蒸馏表面图案化技术通过微/纳米结构调控传热传质及抗污性能，有效解决结垢与润湿问题，提升分离效率与膜寿命。
张晨阳|林毅|卢刚|袁碧瑶|陈盼妮|穆罕默德·乌斯曼·法里德|Vincent Po Hong Lee|尚文涛|李万斌|安丽晶
中国广东省济南大学能源与电力研究中心及环境与气候学院
摘要
膜蒸馏（MD）是一种有前景的热驱动分离技术，但其效率常常受到污染、孔隙润湿和温度极化的限制。近期在微/纳米级表面图案化方面的进展为克服这些瓶颈提供了有效的策略。本综述系统地探讨了表面图案化的演变过程，重点关注三个关键方面：（i）分层图案的先进制造和分类；（ii）热质传递的潜在机制，特别是界面滑移以及动态更新的、以蒸汽为主导的界面的维持；（iii）工程化膜的抗污染和抗润湿性能。通过整合最新研究成果并识别新兴趋势，本综述旨在为未来关于表面工程化MD膜的研究及其在优化MD应用方面的潜力奠定基础。本文强调了提高膜寿命和操作效率的有希望的策略，将图案化膜定位为推动MD技术发展的关键组成部分。
引言
膜蒸馏（MD）是一种创新工艺，它结合了热力学和膜分离机制，通过疏水膜两侧的蒸汽压差来分离挥发性溶质[1]、[2]。与传统膜和压力驱动的分离技术相比，MD具有独特的优势，如出色的盐分排斥能力、低操作压力以及与低品位能源的兼容性。这些特性使得MD成为一种具有广泛应用前景的环保、节能解决方案。MD的多功能性源于其利用温度梯度并选择性传输挥发性溶质的能力。这种灵活性使其在多个领域得到应用，包括海水淡化[3]、[4]、废水处理[5]、[6]、浓缩和纯化过程[8]、化学分离[9]、燃料电池水管理[10]以及食品和饮料行业[11]、[12]。
尽管MD具有诸多优势，但仍面临关键挑战，尤其是膜污染和润湿问题。污染源于污染物（包括有机和无机物质、微生物及胶体颗粒）在膜表面和孔隙内的积累[13]。这种积累会增加能耗并降低渗透通量，因此需要采取多种控制措施，如预处理、结垢抑制、定期清洗、表面改性以及引入曝气和机械剪切力[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。最近的研究（包括关于微纳米气泡曝气的研究）加深了我们对污染机制和控制策略的理解[13]、[19]。另一方面，润湿会降低MD效率，因为液体会渗透到膜孔隙中并润湿膜表面。润湿的原因包括污染、入口压力过高、疏水性降低以及低表面张力液体的渗透[20]、[21]、[22]、[23]。缓解润湿的策略包括增强膜疏水性、应用抗润湿表面改性、实施预处理过程以及使用控制曝气[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。例如，潘等人[29]证明，用黄芩的水提取物进行预处理可以有效减轻膜润湿，从而实现稳定的长期运行并降低运营成本。
控制膜污染和润湿的研究仍然是MD研究的核心焦点，最近的研究越来越多地探讨了微纳米级表面结构对MD性能的影响。这些结构对于改善抗污染和抗润湿性能以及提高整体工艺效率至关重要[31]、[32]。研究表明，特定的表面纹理可以通过降低粘附力和改变表面能性质来减轻污染[33]、[35]。此外，这些微纳米结构有助于蒸馏过程中的液滴形成和脱离，从而提高传质效率并降低能耗[36]。此外，超疏水性和全疏水涂层表现出对油类、有机溶剂和其他污染物的显著抗性，这对于保持MD性能的稳定性和延长膜寿命至关重要[33]、[37]。这种强大的抗污染性能进一步确保了MD膜在复杂工作条件下的长期运行稳定性。尽管关于MD中表面微/纳米结构的研究越来越多，但目前仍缺乏系统总结和分析这些进展的综合性综述论文。
虽然关于压力驱动膜工艺的微纳米结构改性的现有文献相当丰富，但关于其在MD中应用的综合性综述仍然较少。鉴于这一领域日益增长的兴趣，本综述旨在通过整合最新研究成果、概述关键趋势以及识别MD表面图案化中的挑战和未来方向来填补这一空白。具体而言，本综述对各种表面图案及其制造方法进行了分类，并详细阐述了这些结构改性如何提高MD分离效率。我们将探讨表面图案如何影响传质和流体动力学，以及它们对抗污染和抗润湿性能的贡献。最终，本综述旨在为图案化膜的设计和优化提供见解，为MD技术的创新发展铺平道路。
部分摘录
经典蒸馏膜及其性能
MD膜的性能受多种材料属性的影响，包括孔径大小、孔隙率、表面特性和热稳定性。此外，这些内在的物理化学性质（如溶解度、结晶度和表面能）是决定材料可变形性的主要因素，并决定了特定表面工程策略的选择。本节在表1中概述了MD中常用的膜材料
膜表面图案的分类
MD系统的最新进展推动了表面图案化的广泛研究。已经开发出了多种形状的膜表面图案（图2），包括线条[33]、柱状结构[19]、[67]、[68]、[69]、微球[59]和凹陷结构[37]、[60]、[70]。其中，柱状图案得到了特别深入的研究。Yoshimitsu、Nakajima、Watanabe和Hashimoto[69]设计了多种柱状结构，并确定柱高为35 μm、柱宽为50 μm时...
微模相分离（PSμM）
模板法利用固体模板和沉积或蚀刻工艺来创建微纳米结构。该技术能够精确控制孔结构和形态，适用于需要特定结构特征的应用[73]。最近的进展集中在提高图案保真度和模板去除技术上[74]。然而，模板兼容性和可扩展性等挑战依然存在。
图3展示了...
气穴效应
图案化膜表面的微/纳米结构促使形成了稳定的Cassie-Baxter状态，这是实现其优异抗污染和抗润湿性能的主要机制之一。早在Yoshimitsu等人的研究中[69]就指出，特定的长宽比和间距对于最小化滑动角和防止从Cassie-Baxter状态不可逆转变为Wenzel状态至关重要。基于这些原理，最近的研究...
结论与未来展望
本综述强调了表面图案化在提高MD系统性能方面的变革性作用。微纳米级表面图案不仅能够减轻污染和润湿，还能增强传质和传热性能。旨在增加粗糙度、降低表面能并促进液滴脱离的表面图案化策略在提高抗污染和抗润湿性能方面表现出显著效果，从而有助于...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（52400081）和广东省基础与应用基础研究基金（2025A1515010553和2023A1515110825）的支持。
