淡化界面：海水淡化和脱盐新发展研究

工程7（2021）552意见和评论关注界面平声香港科技大学物理系，香港999077接口定义了主体。众所周知，许多互溶现象发生在物质的两个同质相的界面上。在这篇评论文章中，我想提请注意至少涉及一个接口的两个最新发展。第一个发展是海水淡化--鉴于全球淡水供应不断减少，这是一个具有实际重要性的课题。第二个发展涉及使用流体动力学本征模不仅确定通道流动中流体动力学边界的位置--这是一个有点令人惊讶的提议，因为该位置与固/液界面不一致--而且还获得了关于热波动及其与介观通道中流体动力学边界条件的联系的另一种观点。盐水的蒸发与作为淡水的冷凝水蒸气的收集相结合是传统的脱盐过程。这一过程是能源密集型的，因为它涉及蒸发潜热，而且每单位能量输入的淡水通量一般很低。从微观上看，蒸发可以淡化因为盐离子Na+和Cl-在水中以溶剂化的形式存在也就是说，每个离子都被水分子的涂层紧紧包裹，每个簇的尺寸约为1.1 nm从其溶剂化簇中提取单个离子将需要比水分子从水/空气弯月面逃逸所需的蒸发潜热多一个数量级的每个原子的能量。因此，盐在蒸发过程中总是被留下。相比之下，现代脱盐过程通常涉及反渗透机制，其中孔径小于1.1 nm的膜用于将盐水与淡水分离。在盐水侧施加高压;这不仅可以克服渗透压并防止淡水扩散到盐水侧，而且可以滤出离子的溶剂化簇并迫使淡水沿所需方向流动。在反渗透脱盐过程中，淡水通量与高于渗透压力的施加压力的量成正比由于孔径小，所需的压力可能非常高，单位能量输入的淡水通量仍然很低，尽管它比传统的蒸发方法要好得多。脱盐的最新发展涉及到传统蒸发方法的回归，但在纳米级通道几何形状中进行，这可能导致非常大的淡水通量和小的能量消耗[1]。这些优点是通过盐水弯月面和微气泡之间的纳米级分离而淡水弯月面，两者都被限制在纳米级通道中，两侧具有化学势差，即，淡水侧的较低压力可以在期望的方向上驱动净水大通量是由于水蒸气通过努森扩散过程在短距离（分离两个微气泡）上的快速传输，而小能量消耗是由于潜热回收;后者是由于蒸发侧弯月面和渗透淡水弯月面都与通道壁接触的事实，通道壁通常具有比水蒸气更高的热导率此外，两个换热器之间的短分离距离可以确保它们之间的非常快速的热传递因此，当蒸汽分子冷凝并释放额外的动能时，通过蒸发从盐水侧获取的潜热大部分在渗透物（淡水）侧回收 整个过程如图所示。1.一、见参考文件[1]中所述，表明在类似的膜蒸馏过程中，使用碳膜导致的淡水通量比使用聚合物聚四氟乙烯（PTFE）隔膜所获得的淡水通量高20倍淡水通量的巨大差异主要是由于PTFE膜与碳膜相比在两种藻类之间的分离更大此外，发现80%的潜热消耗被回收;这里，应该注意的是，碳是最好的热导体之一，因此它的使用确保了纳米级通道壁的等温边界条件然而，这种新的脱盐方法（其可以被称为“纳米级蒸发脱盐”（NED））的缺点图1.一、纳米级蒸发脱盐方案的示意图化学势梯度例如，淡水侧的压力低于盐水侧的压力驱使净水通量从左侧流向右侧。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.02.0032095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng2QKP. 盛工7（2021）552进一步增加淡水通量。这是因为对于每个弯月面，存在液体进入压力，超过该压力弯月面破裂。由于蒸发过程取决于液体-空气弯月面的存在，因此没有弯月液体进入压力取决于孔径，因此具有小孔的薄膜可以优化NED过程。第二个主题我想解决的是一个理论：水动力边界和随之而来的水动力本征模式在一个渠道的几何形状。在这里，我想对比一下经典物理学的两大支柱--麦克斯韦电动力学方程和纳维-斯托克斯方程的边界条件。虽然电动力学边界条件可以从麦克斯韦方程推导出来此外，甚至流体动力学边界的位置，其中边界条件应该被应用-这通常被认为是在流体/固体界面-仅是已知的默认情况下，因为没有更好的替代选择。然而，根据分子动力学（MD）模拟，众所周知，在流体/固体界面附近，可能存在与体相流体显著不同的流体密度结构因此，流体/固体界面不是流体动力学边界的确定选择。通道几何形状中的流体动力学本征模，是不可压缩Navier-Stokes方程的解图二.一个HM的速度流线图。涡旋和反涡旋对在x和z方向上以周期性方式出现。积分随着流体动力学边界而消失。由于任何两个HM应该是正交的，流体动力学边界位置应该是超定的。事实证明这是真的。一旦本征值和水动力边界位置已知，滑移长度可以直接从色散关系计算HMs的完整集合的知识可以用于以另一种方式表达波动耗散定理[2]：D 1k B TM。1Σdiff在没有外力的情况下，可以看作是共轭基作用于实空间分子点粒子。然而，在流体动力本征模的情况下，Navier滑移边界条件起着重要的作用。由于每个流体动力学模式（HM）代表一个自由度，因此其振幅由热动能决定，就像点粒子一样。热水浴HM的本征值是热激发HM的衰减时间的倒数。此外，由于边界条件可以影响体积，因此通过调节通道壁上的边界条件，可以改变体积流体的平衡性质，例如热波动。这种潜力提出了一些有趣的基本统计力学的可能性。当从MD模拟确定HM的本征值时，正交的流体动力学本征模的副产品是流体动力学边界位置的精确确定。有趣的是，流体动力学边界总是在流体域内，离固/液界面大约一个分子大小。也许这并不令人惊讶，因为从MD模拟中众所周知，液体分子密度可以在固-液界面附近显示出几乎固体状的层状结构;这种分子结构特征自然会对流体动力学边界产生影响。令人惊讶的是，流体动力学边界是尖锐的，而不是模糊的，并且可以准确地反映在连续介质力学极限中获得的HM最近的一项工作报道了完整集合的解析解二维（2D）通道几何形状中的HM，具有Navier滑移边界条件[2，3]。令人感兴趣的是，将流体速度矢量表示为空间坐标的函数的HM一个具体的例子如图所示。 二、每个HM有三个参数：滑移长度，水动力边界的位置，和特征值。这三个参数通过色散关系相关联通过在给定时刻将HM的解析形式投影到MD速度位形上此外，通过将两个不同的HM相乘并将乘积从通道的中心向通道边界积分，可以识别出553其中D表示自扩散常数，T表示温度，kB是玻尔兹曼角括号中的量表示在排除弹道运动占主导地位的那些时间的时间尺度上取得的1/k的平均值以这种方式评估的扩散常数的值与从MD模拟获得的值仅相差百分之几HM沿着沟道轴方向、所表示的x方向和横向z方向是周期性的。因此，如果我们调制通道壁上的边界条件，例如通过以周期性方式交替大滑移长度和小滑移长度，则边界条件将不仅选择出与边界周期性相称的HM的子集，而且通过防止这些相称HM沿x方向横向平移来锁定它们的相位这可能是有趣的，因为以这种方式，热波动以及因此扩散常数可以获得沿着温度的周期性变化。X.可以预期这种变化的强度在远离通道壁的地方指数衰减，衰减长度大致与边界条件的周期性成比例因此，这样的效应在介观通道中应该是明显的，例如在微流体中，其中边界条件调制周期性与通道的横截面尺寸相当。这套完备的高阶矩可以作为求解非线性流体力学问题的基函数，如湍流的初始化问题;它们具有满足流体动力学边界条件的优点，因此在流体动力学问题的上下文中优于其他类型的基函数。这方面的研究已经在进行。引用[1] 陈伟，陈松，梁涛，张强，范正，尹红，等。纳米多孔碳复合膜中界面盐筛分效应的高通量水脱盐。Nat Nanotechnol2018;13：345-50.[2] 邓 晓 ， 魏 晓 ， 王 晓 ， 盛 萍 。 用 流 体 动 力 学 模 式 分 解 热 涨 落 。 Phys RevE2020;101：063104。[3] 陈松，王宏，钱涛，盛平。由平衡涨落确定水动力边界条件。 Phys Rev E 2015;92：043007。