潤濕性對納米多孔陶瓷膜輸運性能的影響

李云，胡浩威

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潤濕性對納米多孔陶瓷膜輸運性能的影響

李云1，胡浩威2,3

（1安徽建筑大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，安徽合肥 230601；2安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽合肥 230601；3熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室，西安交通大學(xué)，陜西西安 710049）

為了實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中高效回收水資源，采用先進(jìn)的膜技術(shù)，基于建立的半連續(xù)超臨界相反應(yīng)改性實驗裝置對納米多孔陶瓷膜分別進(jìn)行親水和疏水表面改性，通過接觸角測量、微觀結(jié)構(gòu)觀測等方法對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進(jìn)行表征?；趩喂芄芡馑魵饫淠齻鳠釋嶒炏到y(tǒng)，對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進(jìn)行了冷凝液輸運特性的實驗研究，揭示了混合氣體溫度、冷卻水流速、跨膜壓差和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)等典型運行參數(shù)對納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量的影響規(guī)律與機理。同時，采用分子動力學(xué)方法，構(gòu)建了水在不同潤濕性納米孔內(nèi)輸運模擬體系，研究水分子在不同潤濕性納米孔內(nèi)的輸運規(guī)律。

潤濕性；輸運通量；表面改性；分子動力學(xué)；納米孔；力場參數(shù)

引 言

膜技術(shù)可實現(xiàn)在復(fù)雜條件下多組分分子水平分離，已逐漸成為解決能源、水資源、環(huán)境等領(lǐng)域重大問題的共性技術(shù)。電站鍋爐煙氣中含有大量的水分，如能將其有效回收利用，對我國能源與水資源節(jié)約將具有重要意義。電廠安全有效運行面臨的主要挑戰(zhàn)之一是在干旱地區(qū)的大量水供應(yīng)，尤其是在水資源較匱乏的地區(qū)，需要提供更有效的水生產(chǎn)技術(shù)[1]。電廠排放的煙氣中含有大量的水蒸氣是能夠被有效利用的水資源形式，若煙氣中20%的水蒸氣可被捕捉，則發(fā)電廠可達(dá)到用水自足。

陶瓷膜具有較高的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫、腐蝕性、強極性溶劑等環(huán)境體系中具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢[2-4]。通過一些方法改變膜材料表面性質(zhì)，可以降低膜材料本身的污染，增加膜材料與滲透液的相互作用，提高膜滲透性能[5-6]，如果將功能性的有機基團(tuán)引入到膜表面還可以使膜材料實現(xiàn)選擇性分離[7]。

為了高效節(jié)能（提高電廠發(fā)電機組效率）與節(jié)水（回收煙氣中水資源），基于膜分離技術(shù)，美國與歐洲于本世紀(jì)初相繼開展了煙氣中水蒸氣捕集回收技術(shù)的研究。在美國能源部（DOE）的支持下，基于無機陶瓷膜技術(shù)，美國天然氣技術(shù)研究院開始煙氣水分捕集技術(shù)的研究開發(fā)[8]。Wang等[9]開發(fā)了新型陶瓷膜冷凝器技術(shù)，煙氣中的水蒸氣能夠穿過陶瓷膜冷凝器管壁，而其他不凝性氣體組分被截留，在這一過程中，鍋爐給水被加熱，實現(xiàn)水分及熱量的雙回收。Lin等[10]基于一種簡化的多組分輸運模型，將冷凝-蒸發(fā)過程看作是兩步化學(xué)反應(yīng)，數(shù)值研究了交叉流式陶瓷膜管束冷凝器的傳熱傳質(zhì)特性。Bao等[11]實驗研究了水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.3%、煙氣溫度65～95℃工況下陶瓷膜冷凝器和相同特征尺度的不銹鋼管換熱器的傳熱傳質(zhì)特性，實驗結(jié)果表明陶瓷膜冷凝器的對流傳熱系數(shù)比不銹鋼管換熱器能夠提高50%～80%，驗證了新型陶瓷膜冷凝器的高效節(jié)能和集水性能。Wang等[12]實驗研究了圓管式陶瓷膜冷凝器從混合蒸氣中同時回收水與熱的過程，考察了混合蒸氣流速、冷卻水流速、跨膜壓差和混合蒸氣溫度等因素對傳熱傳質(zhì)的影響，結(jié)果表明采用這種管式陶瓷膜冷凝器能夠回收20%～60%的水和33%～85%的熱量。楊釗等[13]采用NS方程和Darcy定律來分別描述水在陶瓷膜管內(nèi)和膜多孔介質(zhì)內(nèi)的流動，數(shù)值模擬研究了陶瓷膜管的滲透性能。徐俊波等[14]基于耗散粒子動力學(xué)模擬研究了強排斥壁面作用下圓管狀受限空間內(nèi)自擴散系數(shù)的變化規(guī)律。

國內(nèi)外眾多學(xué)者基于分子動力學(xué)方法對納米孔結(jié)構(gòu)的輸運性能進(jìn)行了數(shù)值研究。Liu等[15]和Mo等[16-17]通過對水分子在納米通道內(nèi)簡單流動過程進(jìn)行分子動力學(xué)模擬分析，并且采用分子模擬方法預(yù)測了疏水納米通道的浸入壓力。Seyf等[18-21]采用分子動力學(xué)計算方法對平直通道受限空間內(nèi)在多種納米結(jié)構(gòu)表面上熱質(zhì)傳遞過程進(jìn)行了大量的探索與分析。Yu等[22]和Peng等[23]采用平衡態(tài)和非平衡態(tài)分子動力學(xué)方法，對氣-液-固三相氬原子傳遞過程進(jìn)行微觀研究。孫浩宇等[24]研究了碳納米管內(nèi)甘油-水為溶劑的氯化鈉溶液在不同溫度下分子分布規(guī)律。

綜上所述，雖然前人考察了多孔陶瓷膜的節(jié)水節(jié)能的性能，但是沒有涉及潤濕性對納米多孔陶瓷膜輸運性能的研究，并且對不同潤濕性納米孔的輸運特性缺乏機理分析。本文主要基于單管管外水蒸氣冷凝傳熱實驗系統(tǒng)，對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進(jìn)行水回收和傳熱實驗研究，并采用分子動力學(xué)方法，構(gòu)建了納米液滴潤濕性模擬體系，進(jìn)一步研究水分子在不同潤濕性納米孔內(nèi)的輸運規(guī)律，揭示不同潤濕性納米孔內(nèi)的輸運機理。

1 納米多孔陶瓷膜潤濕改性及冷凝液回收實驗系統(tǒng)

1.1 納米多孔陶瓷膜潤濕改性實驗裝置及方法

基于半連續(xù)超臨界相反應(yīng)改性實驗系統(tǒng)[25]，主要包含高壓反應(yīng)釜、電預(yù)熱器、高壓計量泵、儲液罐和真空泵。納米多孔陶瓷膜改性實驗裝置的基本工作原理是，采用半連續(xù)性超臨界相反應(yīng)表面改性工藝，針對不同改性劑，在不同改性溫度、壓力、時間下進(jìn)行了以親水或疏水基團(tuán)嫁接的方法除去羥基進(jìn)行表面改性。

基于該半連續(xù)超臨界相反應(yīng)改性實驗裝置，對納米多孔陶瓷膜進(jìn)行疏水改性處理的具體方法為：將10%（質(zhì)量）二甲氧基二甲基硅烷和5%（質(zhì)量）甲氧基三甲基硅烷的正己烷溶液分別注入至反應(yīng)釜內(nèi)，控制反應(yīng)溫度為250℃，壓力為5.0 MPa，改性時間為2 h。對納米多孔陶瓷膜進(jìn)行親水改性，使用10%（質(zhì)量）氨丙基三甲氧基硅烷的正己烷溶液，控制反應(yīng)釜內(nèi)的實驗參數(shù)：溫度為250℃，壓力為5.0 MPa，改性時間為2 h，實驗開始前，開水中煮沸6 h，使陶瓷膜表面及孔中的甲氧基水解，形成親水活性位。

1.2 冷凝液回收實驗系統(tǒng)

冷凝液回收實驗是基于水蒸氣冷凝傳熱實驗系統(tǒng)完成的，如圖1所示，該實驗系統(tǒng)由冷凝實驗腔體、不凝性氣體供給系統(tǒng)、自制水蒸氣發(fā)生器、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水稱重系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等主要部件組成。冷凝實驗腔體外部纏繞電加熱絲，由調(diào)壓器供電并調(diào)節(jié)加熱功率，確保實驗過程中水蒸氣在內(nèi)壁無冷凝，且維持實驗系統(tǒng)熱平衡。冷凝腔體內(nèi)部的溫度與壓力分別由T型鎧裝熱電偶和壓力傳感器（Tecsis P3276，Germany）監(jiān)測。測試的冷凝傳熱管水平放置于實驗腔中，冷卻水在冷凝傳熱管內(nèi)強制對流，進(jìn)、出口水溫由T型鎧裝熱電偶測量，為了提高測量精度，在進(jìn)、出口連接處自制冷卻水混合器[26]，冷卻水的流量由電磁流量計（Rosemount 8732A，USA）測量，冷卻水稱重系統(tǒng)包含恒溫水箱及大量程電子天平（YP50K-1，中國）。

通過實驗數(shù)據(jù)的誤差分析[27]，冷卻水Reynolds數(shù)最大不確定度為±1.7%，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)最大不確定度為±1.8%，冷凝液傳輸通量最大不確定度為±3.3%，冷凝熱流密度最大不確定度為±7.0%。

2 納米多孔陶瓷膜潤濕性表征

采用接觸角測量儀（Powereach JC2000D5，中國），測量了未改性處理、親水改性處理與疏水改性處理的納米多孔陶瓷膜表面的接觸角，結(jié)果如圖2所示。對于未處理和經(jīng)親水改性處理的納米多孔陶瓷膜表面，由于其均表現(xiàn)出親水性，在表面張力和毛細(xì)力作用下，液滴逐漸浸入孔隙內(nèi)，并且接觸角逐漸減小，它們之間的不同在于，液滴在接觸親水改性處理的納米多孔陶瓷膜表面后由于其更好的鋪展特性，初始接觸角更小。疏水改性處理的納米多孔陶瓷膜表面測量的接觸角為137.5°，且?guī)缀醪浑S時間發(fā)生變化。

通過場發(fā)射掃描電鏡（Hitachi SU8010，日本）對未處理、親水改性和疏水改性的納米多孔陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖3所示。圖3中右上方的圖表示的是對納米陶瓷管橫截面放大1000倍的掃描照片，可以看出，管壁構(gòu)成為不同孔尺寸的3層結(jié)構(gòu)，孔最小的上層即為納米多孔膜，厚度約為50 μm。圖3中下方三圖分別是對未改性處理、親水改性處理和疏水改性處理的納米多孔陶瓷膜放大35000倍的掃描照片，從圖中可以看出，親水改性處理對納米多孔陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)影響較小，而疏水改性處理使納米多孔陶瓷膜更加粗糙。

3 冷凝液傳輸特性實驗結(jié)果

在冷凝實驗中，定義了納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量c= ?c/(?o)來表征水回收性能，Δc為一定時間間隔內(nèi)測量的浸入納米多孔陶瓷膜內(nèi)的冷凝液質(zhì)量；Δ為兩次測量的時間間隔；o為納米多孔陶瓷膜的管外側(cè)表面積。

圖4給出了未改性處理、親水改性處理與疏水改性處理納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量與混合氣體溫度、冷卻水流速、跨膜壓差和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，未改性處理和親水改性處理的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量隨著混合氣體溫度和冷卻水流速的增大逐漸增大，這主要因為混合氣體溫度升高，水蒸氣在混合氣體中的分壓升高，傳質(zhì)驅(qū)動力增大，強化了冷凝相變過程，所以未改性處理和親水改性處理的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量逐漸增大。從圖中還可以看出，疏水改性處理的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量幾乎不變，即混合氣體溫度對疏水改性的納米多孔陶瓷膜基本無影響，這主要是由于在實驗壓力條件下，冷凝液幾乎無法通過疏水性納米孔。從圖4（c）中可以看出，改變跨膜壓差對冷凝液輸運通量幾乎沒有影響。

從圖4（d）可以看出，未改性處理和親水改性處理的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)升高逐漸增大。與未改性處理的納米多孔陶瓷膜相比，水蒸氣體積分?jǐn)?shù)從4.9%增大至35.2%，親水改性處理的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量提高了17%～69%。水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大，在混合氣體中水蒸氣分壓增大，傳質(zhì)的驅(qū)動力即水蒸氣濃度差增大，同時水蒸氣冷凝量液增多。從圖4中還可以看出，雖然提高水蒸氣體積分?jǐn)?shù)能夠強化冷凝傳質(zhì)過程，但是相比與未改性處理與親水改性處理的納米多孔陶瓷膜，疏水改性的納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量提高幅度較小。這是因為雖然水蒸氣體積分?jǐn)?shù)增大導(dǎo)致冷凝液量增多，但是冷凝液難以克服氣液界面的浸入壓力而進(jìn)入疏水性納米孔，所以水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對疏水改性納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量強化作用較小。

4 不同潤濕性納米孔內(nèi)輸運特性的分子動力學(xué)模擬

基于前述的實驗研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)納米多孔陶瓷膜的親水性與疏水性對其冷凝液輸運通量的影響顯著。為了進(jìn)一步揭示納米尺度下水分子在不同潤濕性孔隙內(nèi)輸運行為及微觀機理，開展了不同潤濕性納米孔內(nèi)輸運特性的分子動力學(xué)模擬研究。

4.1 納米液滴在不同能量壁面上潤濕特性

采用分子動力學(xué)方法研究納米液滴在固體壁面上的潤濕特性。首先建立了納米液滴潤濕性模擬體系，其初始結(jié)構(gòu)如圖5所示，包含2310個水分子和9800個銅原子，壁面的銅原子以面心立方（FCC）方式排列，晶格常數(shù)為0.3615 nm。模擬盒子的尺寸為25.105 nm×3.615 nm×16.49 nm。、、方向的邊界均為周期性邊界條件。

水分子之間的作用采用TIP3P模型[28]，截斷半徑設(shè)置為1.2 nm。銅原子之間的作用采用常用的EAM勢[29]。水分子與銅原子之間的作用采用12-6LJ作用勢模型，系統(tǒng)采用NVT系綜進(jìn)行控溫處理，納米液滴的溫度控制為300 K，采用速度Verlet法積分運動方程，時間步長為5 fs，計算200000步。通過改變力場參數(shù)，即改變納米液滴與固體壁面的作用強度，實現(xiàn)納米液滴在壁面上的不同潤濕特性。

為了獲得不同能量表面的接觸角，將平衡后的模擬體系劃分成多個小格子（、和方向上的格子大小為0.3615 nm），弛豫500 ps至平衡狀態(tài)，統(tǒng)計每個小格子內(nèi)的水分子數(shù)目，取平均值，獲得了不同能量表面上納米液滴的數(shù)目密度分布，擬合最外側(cè)圓形輪廓線，半徑為，高度為，納米液滴的接觸角可由公式cos=1-/計算得出。

根據(jù)該計算關(guān)系，計算出納米液滴在不同能量表面的接觸角，結(jié)果如圖6所示，可以看出，隨著力場參數(shù)增大，接觸角逐漸減小。由于力場參數(shù)增大，固液作用強度及界面自由能增加，導(dǎo)致固體壁面銅原子與液體水分子之間作用力明顯增強，即力場參數(shù)越大的表面親水性越好。

4.2 水分子在不同潤濕性納米孔內(nèi)的輸運特性

為進(jìn)一步分析水在納米孔內(nèi)的輸運規(guī)律，采用分子動力學(xué)方法，建立了不同潤濕性納米孔-液態(tài)水幾何模型，如圖7所示。在該模型中，底部固體壁面未固定，在其表面上施加0.1 MPa作用力，推動與其接觸的液態(tài)水，納米孔固體壁面固定不動。

圖8表示了液態(tài)水在不同潤濕性納米孔內(nèi)的浸入動態(tài)過程。從圖8（a）、（b）可以看出，液態(tài)水無法進(jìn)入疏水性納米孔，而圖8（c）、（d）表明液態(tài)水幾乎以勻速進(jìn)入親水性納米孔，且對比圖8（c）和（d）的親水性納米孔，親水性越好，液態(tài)水能夠在更短時間內(nèi)進(jìn)入孔內(nèi)。

根據(jù)上述研究內(nèi)容可知，在相同條件下，液態(tài)水難以進(jìn)入疏水性納米孔內(nèi)，這是由于完成該過程需要克服較大的浸入壓力。由于納米孔疏水性及表面張力的作用，液態(tài)水在納米孔內(nèi)形成的氣液界面為凸液面，隨著力場參數(shù)減小，即疏水性增強，液態(tài)水氣液界面的曲率逐漸增大。通過分析發(fā)現(xiàn)，疏水性納米孔的臨界浸入壓力的大小與形成的氣液界面處的凸液面曲率有關(guān)，即氣液界面的曲率越大，疏水性納米孔的臨界浸入壓力越大[30]。

圖9表示在液態(tài)水浸入不同潤濕性納米孔時浸入孔內(nèi)的水分子數(shù)目。從圖中可以看出，力場參數(shù)為0.004和0.002 eV的納米孔內(nèi)水分子數(shù)目幾乎沒有變化，即液態(tài)水無法進(jìn)入疏水性納米孔內(nèi)，而力場參數(shù)為0.01和0.008 eV的納米孔內(nèi)水分子數(shù)目出現(xiàn)了較明顯的變化，隨著時間推移，孔內(nèi)水分子數(shù)目顯著增加，即液態(tài)水能夠順利進(jìn)入親水性納米孔內(nèi)，且對于力場參數(shù)為0.01 eV的親水性納米孔，當(dāng)500 ps左右時，水分子數(shù)目達(dá)到最大，之后水分子數(shù)目幾乎不變，即液態(tài)水充滿納米孔，而對于力場參數(shù)為0.008 eV的親水納米孔，水分子數(shù)目的增長速度較慢。由此可見，在壓力較小時，液態(tài)水無法進(jìn)入疏水性納米孔內(nèi)，而能夠進(jìn)入親水性納米孔，且親水性越好，進(jìn)入速度越快。

5 結(jié) 論

基于半連續(xù)超臨界相反應(yīng)改性實驗裝置，對納米多孔陶瓷膜進(jìn)行親水和疏水表面改性，并實驗研究了混合氣體溫度、冷卻水流速、跨膜壓差和水蒸氣體積分?jǐn)?shù)等典型運行參數(shù)對不同潤濕性納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運特性的影響。采用分子動力學(xué)方法，數(shù)值研究了水分子在不同潤濕性納米孔內(nèi)的輸運規(guī)律，獲得以下主要結(jié)論。

（1）親水性納米孔具有較強的毛細(xì)力和水蒸氣吸附能力，親水性越好，納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量越大，并且膜平均孔徑較大時，冷凝液跨膜傳輸通量增大；與未改性處理的納米多孔陶瓷膜相比，親水改性納米多孔陶瓷膜冷凝液輸運通量提高17%～69%。

（2）建立了水分子在不同潤濕性納米孔內(nèi)輸運模擬體系，液態(tài)水能夠在親水性納米孔內(nèi)進(jìn)行傳輸，并且親水性越好，水在納米孔內(nèi)輸運速率越快；而在浸入壓力的影響下，0.1 MPa作用力下液態(tài)水難以在疏水性納米孔內(nèi)傳輸。

符 號 說 明

Ao——管外側(cè)表面積，m2 h——高度，mm Mc——冷凝液輸運通量，kg?m-2?h-1 ?mc——冷凝液質(zhì)量，kg n——水分子數(shù)目 P——壓力，Pa ?P——跨膜壓差，Pa Rew——冷卻水的Reynolds數(shù) r——半徑，mm t——混合氣體溫度，℃ ε——力場參數(shù)，eV θ——接觸角，(°) τ——時間，s ?τ——時間間隔，s φv——水蒸氣體積分?jǐn)?shù)，%

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Effect of wettability on nanoporous ceramic membrane for condensate transport performance

LI Yun1, HU Haowei2,3

(1School of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, Anhui, China;2School of Environment and Energy Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, Anhui, China;3Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering (Xi’an Jiaotong University), Ministry of Education, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

To recover the residual water efficiently in the complex environment, the advanced membrane technology was employed. Based on the experiment apparatus of the semicontinuous supercritical reactions, the wettability-modified nanoporous ceramic membranes were achieved by using semicontinuous supercritical reactions. The microstructure and characterization of both hydrophilic and hydrophobic nanoporous membranes were investigated by the methods of the contact angle measurement, electron microscope scan and electron spectroscopy analysis. Based on the experimental system of vapor condensation heat transfer on a single tube, the investigation of condensate transport through the nanoporous membrane with and without wettability modificaion was carried out. The effects of typical parameters including coolant flow rate, mixture gas temperature, transmembrane pressure and water vapor volume fraction on heat and mass transfer performance are studied. To explore the mechanism of water transport in nanoscale channels with different surface wettability, the method of molecular dynamics simulation was employed. The transport of water through a single nanopore was simulated.

wettability; transport flux; modification; molecular dynamics; nanopore; energy parameter

10.11949/j.issn.0438-1157.20170101

TK 121

A

0438—1157（2017）09—3474—08

2017-01-22收到初稿，2017-05-10收到修改稿。

胡浩威。

李云（1972—），女，碩士，講師。

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項目（KJ2015JD19，KJ2017A488）；安徽省國際科技合作計劃項目（1503062012）；熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室（西安交通大學(xué)）開放基金。

2017-01-22.

Dr.HU Haowei, huhaoweihhw@ahjzu.edu.cn

supported by the Natural Science Research of Anhui Province (KJ2015JD19, KJ2017A488), the International Science and Technology Cooperation Program of Anhui Province (1503062012) and the Foundation of Key Laboratory of Thermo-Fluid Science and Engineering (Xi’an Jiaotong University), Ministry of Education.