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安徽建筑大學機械與電氣工程學院，安徽合肥 230601；2安徽建筑大學環境與能源工程學院，安徽合肥 230601；3熱流科學與工程教育部重點實驗室，西安交通大學，陜西西安 710049）

為了實現復雜環境中高效回收水資源，采用先進的膜技術，基于建立的半連續超臨界相反應改性實驗裝置對納米多孔陶瓷膜分別進行親水和疏水表面改性，通過接觸角測量、微觀結構觀測等方法對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進行表征。基于單管管外水蒸氣冷凝傳熱實驗系統，對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進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數等典型運行參數對納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運通量的影響規律與機理。同時，采用分子動力學方法，構建了水在不同潤濕性納米孔內輸運模擬體系，研究水分子在不同潤濕性納米孔內的輸運規律。

潤濕性；輸運通量；表面改性；分子動力學；納米孔；力場參數

引 言

膜技術可實現在復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、環境等領域重大問題的共性技術。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約將具有重要意義。電廠安全有效運行面臨的主要挑戰之一是在干旱地區的大量水供應，尤其是在水資源較匱乏的地區，需要提供更有效的水生產技術[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，則發電廠可達到用水自足。

陶瓷膜具有較高的機械強度和化學穩定性，在高溫、腐蝕性、強極性溶劑等環境體系中具有明顯的技術優勢[2-4]。通過一些方法改變膜材料表面性質，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引入到膜表面還可以使膜材料實現選擇性分離[7]。

為了高效節能（提高電廠發電機組效率）與節水（回收煙氣中水資源），基于膜分離技術，美國與歐洲于本世紀初相繼開展了煙氣中水蒸氣捕集回收技術的研究。在美國能源部（DOE）的支持下，基于無機陶瓷膜技術，美國天然氣技術研究院開始煙氣水分捕集技術的研究開發[8]。Wang等[9]開發了新型陶瓷膜冷凝器技術，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-蒸發過程看作是兩步化學反應，數值研究了交叉流式陶瓷膜管束冷凝器的傳熱傳質特性。Bao等[11]實驗研究了水蒸氣質量分數為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特性，實驗結果表明陶瓷膜冷凝器的對流傳熱系數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的影響，結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和膜多孔介質內的流動，數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模擬研究了強排斥壁面作用下圓管狀受限空間內自擴散系數的變化規律。

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

綜上所述，雖然前人考察了多孔陶瓷膜的節水節能的性能，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，對潤濕改性前后的納米多孔陶瓷膜進行水回收和傳熱實驗研究，并采用分子動力學方法，構建了納米液滴潤濕性模擬體系，進一步研究水分子在不同潤濕性納米孔內的輸運規律，揭示不同潤濕性納米孔內的輸運機理。

1 納米多孔陶瓷膜潤濕改性及冷凝液回收實驗系統

1.1 納米多孔陶瓷膜潤濕改性實驗裝置及方法

基于半連續超臨界相反應改性實驗系統[25]，主要包含高壓反應釜、電預熱器、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，采用半連續性超臨界相反應表面改性工藝，針對不同改性劑，在不同改性溫度、壓力、時間下進行了以親水或疏水基團嫁接的方法除去羥基進行表面改性。

基于該半連續超臨界相反應改性實驗裝置，對納米多孔陶瓷膜進行疏水改性處理的具體方法為：將10%（質量）二甲氧基二甲基硅烷和5%（質量）甲氧基三甲基硅烷的正己烷溶液分別注入至反應釜內，控制反應溫度為250℃，壓力為5.0 MPa，改性時間為2 h。對納米多孔陶瓷膜進行親水改性，使用10%（質量）氨丙基三甲氧基硅烷的正己烷溶液，控制反應釜內的實驗參數：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

冷凝液回收實驗是基于水蒸氣冷凝傳熱實驗系統完成的，如圖1所示，該實驗系統由冷凝實驗腔體、不凝性氣體供給系統、自制水蒸氣發生器、冷卻水循環系統、冷卻水稱重系統和數據采集系統等主要部件組成。冷凝實驗腔體外部纏繞電加熱絲，由調壓器供電并調節加熱功率，確保實驗過程中水蒸氣在內壁無冷凝，且維持實驗系統熱平衡。冷凝腔體內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強制對流，進、出口水溫由T型鎧裝熱電偶測量，為了提高測量精度，在進、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，冷卻水稱重系統包含恒溫水箱及大量程電子天平（YP50K-1，中國）。

通過實驗數據的誤差分析[27]，冷卻水Reynolds數最大不確定度為±1.7%，水蒸氣體積分數最大不確定度為±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，結果如圖2所示。對于未處理和經親水改性處理的納米多孔陶瓷膜表面，由于其均表現出親水性，在表面張力和毛細力作用下，液滴逐漸浸入孔隙內，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°，且幾乎不隨時間發生變化。

通過場發射掃描電鏡（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構進行觀測，結果如圖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，管壁構成為不同孔尺寸的3層結構，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構影響較小，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為一定時間間隔內測量的浸入納米多孔陶瓷膜內的冷凝液質量；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數的變化關系。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，傳質驅動力增大，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數升高逐漸增大。與未改性處理的納米多孔陶瓷膜相比，水蒸氣體積分數從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%。水蒸氣體積分數增大，在混合氣體中水蒸氣分壓增大，傳質的驅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數能夠強化冷凝傳質過程，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數增大導致冷凝液量增多，但是冷凝液難以克服氣液界面的浸入壓力而進入疏水性納米孔，所以水蒸氣體積分數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輸運特性的分子動力學模擬

基于前述的實驗研究結果，發現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。為了進一步揭示納米尺度下水分子在不同潤濕性孔隙內輸運行為及微觀機理，開展了不同潤濕性納米孔內輸運特性的分子動力學模擬研究。

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，其初始結構如圖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，系統采用NVT系綜進行控溫處理，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，即改變納米液滴與固體壁面的作用強度，實現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，統計每個小格子內的水分子數目，取平均值，獲得了不同能量表面上納米液滴的數目密度分布，擬合最外側圓形輪廓線，半徑為，高度為，納米液滴的接觸角可由公式cos=1-/計算得出。

根據該計算關系，計算出納米液滴在不同能量表面的接觸角，結果如圖6所示，可以看出，隨著力場參數增大，接觸角逐漸減小。由于力場參數增大，固液作用強度及界面自由能增加，導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的輸運特性

為進一步分析水在納米孔內的輸運規律，采用分子動力學方法，建立了不同潤濕性納米孔-液態水幾何模型，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水，納米孔固體壁面固定不動。

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

根據上述研究內容可知，在相同條件下，液態水難以進入疏水性納米孔內，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，液態水在納米孔內形成的氣液界面為凸液面，隨著力場參數減小，即疏水性增強，液態水氣液界面的曲率逐漸增大。通過分析發現，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，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表示在液態水浸入不同潤濕性納米孔時浸入孔內的水分子數目。從圖中可以看出，力場參數為0.004和0.002 eV的納米孔內水分子數目幾乎沒有變化，即液態水無法進入疏水性納米孔內，而力場參數為0.01和0.008 eV的納米孔內水分子數目出現了較明顯的變化，隨著時間推移，孔內水分子數目顯著增加，即液態水能夠順利進入親水性納米孔內，且對于力場參數為0.01 eV的親水性納米孔，當500 ps左右時，水分子數目達到最大，之后水分子數目幾乎不變，即液態水充滿納米孔，而對于力場參數為0.008 eV的親水納米孔，水分子數目的增長速度較慢。由此可見，在壓力較小時，液態水無法進入疏水性納米孔內，而能夠進入親水性納米孔，且親水性越好，進入速度越快。

5 結 論

基于半連續超臨界相反應改性實驗裝置，對納米多孔陶瓷膜進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數等典型運行參數對不同潤濕性納米多孔陶瓷膜的冷凝液輸運特性的影響。采用分子動力學方法，數值研究了水分子在不同潤濕性納米孔內的輸運規律，獲得以下主要結論。

（1）親水性納米孔具有較強的毛細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輸運模擬體系，液態水能夠在親水性納米孔內進行傳輸，并且親水性越好，水在納米孔內輸運速率越快；而在浸入壓力的影響下，0.1 MPa作用力下液態水難以在疏水性納米孔內傳輸。

符 號 說 明

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

References

[1] 魏高升, 邢麗婧, 孟潔, 等. 我國火力發電用水情況預測及節水技術發展分析[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(32): 5717-5727. WEI G S, XING L J, MENG J,. Predictive on water usage and analysis on water conservation development in thermal power generation of China[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(32): 5717-5727.

[2] GESTEL T V, VANDECASTEELE C, BUEKENHOUDT A,Alumina and titania multilayer membranes for nanofiltration: preparation, characterization and chemical stability[J]. Journal of Membrane Science, 2002, 207(1): 73-89.

[3] 范益群, 漆虹, 徐南平. 多孔陶瓷膜制備技術研究進展[J]. 化工學報, 2013, 64(1): 107-115. FAN Y Q, QI H, XU N P. Advance in preparation techniques of porous ceramic membranes[J]. CIESC Journal, 2013, 64(1): 107-115.

[4] 范益群, 邢衛紅. 陶瓷膜表面性質研究進展[J]. 膜科學與技術, 2013, 33(5): 1-7. FAN Y Q, XING W H. Progress in research on surface properties of ceramic membranes[J]. Membrane Science and Technology, 2013, 33(5): 1-7.

[5] SAH A, CASTRICUM H L, BLIEK A,. Hydrophobic modification of γ-alumina membranes with organochlorosilanes[J]. Journal of Membrane Science, 2004, 243(1): 125-132.

[6] ATWATER J E, AKSE J R. Oxygen permeation through functionalized hydrophobic tubular ceramic membranes[J]. Journal of Membrane Science, 2007, 301(1): 76-84.

[7] OH S, KANG T, KIM H,. Preparation of novel ceramic membranes modified by mesoporous silica with 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES) and its application to Cu2+separation in the aqueous phase[J]. Journal of Membrane Science, 2007, 301(1/2): 118-125.

[8] WANG D X. Advanced energy and water recovery technology from low grade waste heat[R]. Gas Technology Institute, 2011.

[9] WANG D X, BAO A N, KUNC W,. Coal power plant flue gas waste heat and water recovery[J]. Applied Energy, 2012, 91(1): 341-348.

[10] LIN C X, WANG D X, BAO A N. Numerical modeling and simulation of condensation heat transfer of a flue gas in a bundle of transport membrane tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 60: 41-50.

[11] BAO A N, WANG D X, LIN C X. Nanoporous membrane tube condensing heat transfer enhancement study[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 84: 456-462.

[12] WANG T T, YUE M W, QI H,. Transport membrane condenser for water and heat recovery from gaseous streams: performance evaluation[J]. Journal of Membrane Science, 2015, 484: 10-17.

[13] 楊釗, 程景才, 楊超, 等. 非對稱陶瓷膜管滲透性能的CFD模擬研究[J]. 化工學報, 2015, 66(8): 3120-3129. YANG Z, CHENG J C, YANG C,. Study on permeability of asymmetric ceramic membrane tubes with CFD simulation[J]. CIESC Journal, 2015, 66(8): 3120-3129.

[14] 徐俊波, 溫浩, 楊超. 受限空間分子自擴散性質的耗散粒子動力學模擬[J]. 中國科學: 化學, 2015, 45(1): 42-48. XU J B, WEN H, YANG C. Dissipative particle dynamics simulation of molecule self-diffusion under cylindrical confinement[J]. Scientia Sinica: Chimica, 2015, 45(1): 42-48.

[15] LIU C, LI Z G. Molecular dynamics simulation of composite nanochannels as nanopumps driven by symmetric temperature gradients[J]. Physical Review Letters, 2010, 105(17): 174501.

[16] MO J W, LI L, ZHOU J F,. Fluid infiltration pressure for hydrophobic nanochannels[J]. Phys. Rev. Estat. Nonlin. Soft Matter Phys., 2015, 91(3): 033022.

[17] MO J W, LI L, WANG J,. Passive fluidic diode for simple fluids using nested nanochannel structures[J]. Phy. Rev. Estat. Nonlin. Soft Matter Phys., 2016, 93(3): 033101.

[18] SEYF H R, ZHANG Y W. Molecular dynamics simulation of normal and explosive boiling on nanostructured surface[J]. ASME Journal of Heat Transfer, 2013, 135(12): 121503.

[19] MAO Y J, ZHANG Y W. Molecular dynamics simulation on rapid boiling of water on a hot copper plate[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 62(2): 607-612.

[20] FU T, MAO Y J, TANG Y,. Molecular dynamics simulation on rapid boiling of thin water films on cone-shaped nanostructure surfaces[J]. Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2015, 19(1): 17-30.

[21] LI L, JI P F, ZHANG Y W. Molecular dynamics simulation of condensation on nanostructured surface in a confined space[J]. Applied Physics A, 2016, 122(5): 1-15.

[22] YU J, WANG H. A molecular dynamics investigation on evaporation of thin liquid films[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(4): 1218-1225.

[23] PENG B, HE W G, HAO X H,. Interfacial thermal conductance and thermal accommodation coefficient of evaporating thin liquid films: A molecular dynamics study[J]. Computational Materials Science, 2014, 87: 260-266.

[24] 孫浩宇, 濮金歡, 唐桂華. 基于納米有機液體的高性能溫差電池[J]. 物理化學學報, 2016, 32(10): 2555-2562. SUN H Y, PU J H, TANG G H. High-performance thermogalvanic cell based on organic nanofluids[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2016, 32(10): 2555-2562.

[25] HU H W, TANG G H, NIU D. Wettability modified nanoporous ceramic membrane for simultaneous residual heat and condensate recovery[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 27274.

[26] KRISHNASWAMY S, WANG H S, ROSE J W. Condensation from gas-vapour mixtures in small non-circular tubes[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(9): 1731-1737.

[27] BEVINGTON P R, ROBINSON D K. Data reduction and error analysis for the physical sciences[M]. New York: McGraw-Hill, 1969.

[28] SOPER A K, PHILLIPS M G. A new determination of the structure of water at 25 C[J]. Chemical Physics, 1986, 107: 47-60.

[29] FOILES S M, BASKES M I, DAW M S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys[J]. Physical Review B, 1986, 33: 7983.

[30] HORIKAWA T, DO D D, NICHOLSON D. Capillary condensation of adsorbates in porous materials[J]. Advances in Colloid & Interface Science, 2011, 169(1): 40-58.

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研究項目（KJ2015JD19，KJ2017A488）；安徽省國際科技合作計劃項目（1503062012）；熱流科學與工程教育部重點實驗室（西安交通大學）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.