作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 用于膜蒸馏的纳米木膜工艺流程图
(一)使用木质膜的分子动力学示意图
(二)纳米木材的数码照片及相应的有益特性
(三)木材加工过程中水(蒸汽)和热传递的示意图
照片信用:T
李，马里兰大学
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaw3203 在水脱盐过程中，膜蒸馏由于依赖于膜的孔隙率和热导率而受到水与溶解溶质热分离效率低的挑战
例如，现有的石油衍生膜面临着主要的发展障碍
在最新的《科学进展》报告中，侯殿勋和他在美国土木、环境、建筑工程、材料科学和机械工程等跨学科部门的同事
S
，挪威和中国首次直接用可持续木材制造了一种坚固的膜
他们使用了具有高孔隙率和分级孔结构的疏水性纳米木膜，该膜具有宽孔径分布的结晶纤维素、纳米纤维、木质部导管和lumina，以促进水蒸气的传输
在结构的横向方向上，热导率极低，以减少传导热损失，尽管沿纤维的高热导率允许沿轴向方向的有效散热
该膜表现出优异的固有蒸汽渗透性和热效率
热效率、水通量、可扩展性和可持续性的综合特性使得纳米木材非常适合膜蒸馏应用
缺水是一个全球性挑战，联合国报告称，目前全球近一半人口每年至少有一个月生活在潜在缺水地区
气候变化和快速城市化加剧了这一问题，美国加利福尼亚州的长时间干旱和频繁的野火就是证明
S
通过从一系列含盐或受污染的水源(包括海水、含盐地下水或废水)中提取淡水，海水淡化有助于缓解水资源紧张
科学家利用纳米技术和先进制造技术促进海水淡化
纳米木膜的结构表征
(一)疏水性纳米木膜照片
(二)硅烷处理后显示疏水性的照片
(三)纳米木膜的水接触角
纳米木材表面的扫描电镜图像，显示排列的纹理、木质部导管和腔(通道)
扫描电镜图像显示木质部导管和腔壁上生长有中孔[(G)横截面和(H)凹坑]
扫描电镜图像显示纤维素纤维中有微小孔隙
疏水性天然木材和纳米木材膜的功率谱密度
照片信用:D
侯，科罗拉多大学
学分:科学进步，doi: 10
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然而，现有的水脱盐技术，如反渗透，是能量密集型的，并且处于其能量效率极限(约50%)
因此，研究人员热衷于使用低成本和可再生能源作为替代的成本效益战略，以减轻能源储存的挑战
膜蒸馏是一种新兴的热驱动分离过程，基于温度和蒸气压，使用太阳能、热能或其他可再生资源
在其作用机理中，水在分子蒸馏池的热进料侧蒸发，通过多孔疏水膜扩散，在冷渗透侧冷凝
在膜分离过程中，水蒸气的传输会导致对流传热，从而降低梯度，降低膜传质的驱动力
科学家设想理想的微孔膜将结合大孔径、低孔弯曲度、低热导率、高孔隙率、最佳厚度、良好的机械强度、成本效益和低环境影响
然而，现有的由合成聚合物制成的膜由于几个缺点而不符合最佳标准
因此，在目前的工作中，侯等人
直接从可持续木材中开发出第一种坚固的膜，作为一种基于自然的水净化解决方案
富含泥土的纳米纤维素材料通常用于对环境或健康影响最小的产品中，用于建造脚手架、生物燃料或滤水器
材料科学家开发了当前版本的纳米木材，通过化学处理和冷冻干燥直接去除木质素和半纤维素，以保持木材纤维的各向异性纳米结构和分级排列
木材膜的热导率表征
(一)疏水性纳米木膜照片
(二)疏水性天然木质膜照片
(三)接触热源测量示意图
(四)木质膜的红外热像图
(五)在40℃至60℃范围内测量的木质膜导热系数
疏水性硅烷处理前后60℃木材热导率的比较
误差线代表基于三个独立实验的SDs
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侯，科罗拉多大学
学分:科学进步，doi: 10
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aaw3203 科学家们将木材制备成各向异性和绝热的大块材料，该材料具有高孔隙率、低热导率和良好的机械强度，是新型微孔膜的理想基材
研究小组使用来自天然美国椴木的纳米结构木材，然后用硅烷涂层形成具有高孔隙率和低热导率的疏水表面膜
然后，他们比较了疏水性木膜和商用膜在水净化过程中的结构和性能
与具有垂直孔的合成商品膜相比，新膜呈现出独特的孔结构，具有平行于膜表面的自然形成的木质部导管和腔
研究小组使用扫描电子显微镜直接观察了纤维素纳米纤维的自然排列
他们注意到最终的结构是由分子间氢键和范德华力将排列的晶体纳米纤维结合在一起
通过去除混合的木质素和半纤维素成分，科学家们使疏水性纳米木膜的质量损失减少了约70%，孔隙率得到改善
侯等
使用位于纳米纤维之间或通道壁上的孔来输送水蒸气
由于工程材料的大孔隙率，疏水性纳米木膜的理论热导率从0
210比0
25℃时为04w·m-1k-1，有助于减少传导热损失，同时增加对流热传递
科学家用氟烷基硅烷(FAS)处理木材以诱导疏水性，他们使用水接触角测量来验证疏水性，以获得大于140度的接触角
该值大于用商用膜如聚四氟乙烯和聚偏二氟乙烯观察到的值
表面处理前后形貌和孔结构保持不变
科学家们比较了疏水性木材膜与商业膜在膜结构方面的差异，包括孔径尺寸、热导率和性能
木材和商品膜的纵向性能
(1)水通量和(2)疏水性木膜的实验热导率，进料温度在40℃和60℃之间连续变化，馏出物温度为20℃
(三)膜的固有渗透性
(四)木膜和商业膜的热效率与水通量的关系
误差线代表基于三个独立实验的SDs
学分:科学进步，doi: 10
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为了证明制造的疏水纳米木膜的隔热能力，研究人员在传导热源下测试了样品，并刺激了直接接触膜蒸馏(DCMD)
在实验过程中，他们应用了五种不同的温度，并用红外照相机进行测量
结果表明，当温度从40℃升高到60℃时，疏水纳米膜表现出低热导率和各向异性
根据结果，在纳米木材制备过程中，混合的木质素和半纤维素的去除导致了木材热导率的显著变化
侯等
然后通过观察通过膜的水(蒸汽)通量来测试纳米木膜的热效率脱盐
由于孔隙率和孔径增加，疏水性纳米木膜表现出较高的水通量，同时显著降低了蒸汽转移阻力
他们比较了纳米木材和商用木材的性能，并建议在未来的研究中使用更薄的木材膜来制造更好的助焊剂
疏水膜显示出良好的热效率(60℃时为71.2%)，代表了迄今在分子设计中达到的最高值
总的来说，结果表明纳米木膜具有更大的孔径和更宽的PSD(孔径尺寸)，以抵消孔隙率较低的缺点
新开发的疏水纳米木膜表现出优异的性能和潜在的海水淡化
该膜表现出良好的水流入(水蒸气传输)和优异的热效率，这是由于高的固有渗透性和超低的热导率(0
040瓦·米1·克1)，以促进对流和传导传热
通过这种方式，侯殿勋和他的同事利用一种可扩展的、自上而下的方法，通过简单的化学处理，制造出了一种纳米木薄膜
新开发的、可扩展的纳米木膜是一种热效率高的膜，在膜蒸馏(MD)用于水脱盐的过程中，具有利用来自不同来源的低级热量的巨大潜力
科学家们可以在未来通过选择其他木材种类来改善孔径和厚度
他们还提出使用静电纺丝来制造纳米纤维素纤维
由于纳米纤维素材料的亲水性，侯等
目的进一步提高高温和化学条件下膜耐久性疏水处理的效率
研究小组打算进一步优化制造方法，设计更薄和更大的膜材料，用于未来的海水淡化应用 直接接触膜蒸馏装置(DCMD)的示意图、图像和控制界面
(一)直接接触膜蒸馏装置示意图(DCMD)
DCMD反应堆和虚拟实验室控制系统的可视图像
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