在淡水資源日益匱乏的今天，污水處理回用及海水脫鹽是人類獲取清潔水源的重要途徑。正如大家所知，膜分離技術(shù)是實現(xiàn)上述過程的核心工具。然而，面對許多高濃度的工業(yè)廢水或是鹽水，一般的壓力過濾膜也束手無策。這是因為高鹽濃度的廢水意味著高的滲透壓，這使得過濾過程需要更高的壓力差才能完成，這是目前的反滲透膜難以達(dá)到的。解決這一問題的辦法很簡單，那就是——膜蒸餾。

膜蒸餾是就是一個將膜與蒸餾相結(jié)合過程，在傳統(tǒng)的膜蒸餾過程中，以疏水多孔膜作為屏障，分別在兩次通過熱的待分離原液與滲透液，以溫度差所導(dǎo)致的滲透壓差作為驅(qū)動力，水在一側(cè)的界面處蒸發(fā)，水蒸氣透過膜孔達(dá)到另一側(cè)，再冷凝下來，從而實現(xiàn)分離過程。因此，熱蒸發(fā)過程也成為處理高濃度廢水的唯一途徑。實際上，膜蒸餾并不是一個新的概念。這一技術(shù)發(fā)展多年，已經(jīng)從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用過程。不過，最近美國加州大學(xué)河濱分校David Jassby等人在Nature Nanotechonology 上發(fā)表了一篇與之相關(guān)的研究工作，讓老樹開出了新花。

圖片來源：Nature Nanotech.

本文研究者抓住了膜蒸餾中的一個關(guān)鍵問題：如何保持膜兩側(cè)較高的溫度差（即驅(qū)動力）？他們想到的辦法是：在膜的蒸發(fā)一側(cè)安一個加熱器，而這層加熱器由碳納米管所組成。其加熱原理為焦耳加熱，即電流通過導(dǎo)體時因電阻所引起的發(fā)熱現(xiàn)象。

常規(guī)（a）和帶碳納米管加熱器（b）的膜蒸餾過程。圖片來源：Nature Nanotech.

不過，基于碳納米管的焦耳加熱器通常不能用于電離度高以及腐蝕性的環(huán)境中，而作者所關(guān)注的恰恰是這樣的環(huán)境，因此首先要解決的問題是如何保證碳納米管加熱器不被腐蝕。他們通過層層噴涂法將碳納米管與聚乙烯醇（PVA）分別噴涂在疏水多孔膜的表面。在焦耳加熱器工作的時候，由于碳納米管的電阻更小，因此在施加電壓下其表面會形成雙電層，飽和充電的雙電層會引起碳納米管的電氧化降解。為了解決這一問題，作者采取了高頻交流電來抑制雙電層飽和。結(jié)果表明，在高于100 Hz的頻率下，該加熱器能在100 g/L的溶液中，以20 V的電壓穩(wěn)定工作。

碳納米管-聚乙烯醇膜的SEM圖像。圖片來源：Nature Nanotech.

這種自加熱的膜在1.5 mm/s的流速下純水的回收率可達(dá)12.3%，比傳統(tǒng)的膜蒸餾組件的理論最大值還高。當(dāng)然，這樣的組件也存在問題，比如能耗非常高，這個問題可以通過搭建規(guī)?；脑O(shè)備得以緩解。當(dāng)然，也可以通過結(jié)合其他的加熱方式得以解決，比如利用太陽能進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201603504，點擊閱讀詳細(xì)）。不過，這項工作還是為新型膜蒸餾組件的設(shè)計提供了一條不錯的新思路。

Frequency-dependent stability of CNT Joule heaters in ionizable media and desalination processes

Nature Nanotech., 2017, 12, 557-563, DOI: 10.1038/nnano.2017.102