基于液滴动力学的纤维膜传质强化设计。 宏观尺度与微观尺度下，液滴在固体基底上会呈现截然不同的润湿特性与输运行为，该行为对理解纤维膜上的液体传质过程至关重要。为更好地认知并调控纤维膜的液体传质过程，南京工业大学邢卫红研究员和冯厦厦教授在ENG. Chem. Eng.上发表论文，将原位可视化表征技术与多相流模拟相结合，系统探究了纤维润湿性、纤维直径、纤维间距等多种因素对液体输运行为的影响，同时阐明了单根纤维上及相邻纤维间液滴输运的内在传质机理。基于上述研究，本文构建了具有梯度纤维直径与差异化润湿性结构的复合纤维膜，并通过雾水收集、液滴润湿、液体渗透效率等实验验证了该设计思路的有效性。测试结果表明，JM-CF液体完全渗透时长仅约0.5 s，多层膜中水蒸气透过率最高（14.25 kg·m-2?d-1），雾水收集性能最优（1250 mg·cm-2·h-1）。本研究完善了纤维膜多尺度液体输运机理，为面向各类应用的纤维膜制备提供通用设计思路。
建立纤维跨尺度耦合分析框架：将原位高速观测与多相流模拟结合，从单纤维、二维网络、三维多层3个尺度逐层解析了微液滴输运规律，打通了微观液滴行为与膜宏观传质性能的关联，解决了现有研究尺度割裂以及缺乏直接观测证据的问题。
揭示润湿性与纤维结构协同调控机制：引入球形度定量表征液滴形貌，区分亲水PAN（液膜滑动）和疏水PVDF（液滴滴落）两套完全不同的液滴演化路径，明确了纤维曲率、孔径对液桥、连续液膜形成的临界调控规律，给出了量化结构设计依据。
开发粗-细梯度Janus高效输水膜：设计了表层粗纤维和底层细纤维的分级亲水Janus膜（JM-CF），可依靠梯度毛细作用消除界面积液堵塞；液滴渗透、水蒸气透过、雾水收集性能均显著优于均质/混纺膜，同时提出了多场景通用膜结构设计思路。
图1.单纤维尺度液滴润湿与输运行为，展示了纤维直径与润湿性调控单根纤维上凝结液滴分布、形貌及脱落的原位光学显微图。
图2.基于单根纤维的研究结论进一步将研究拓展至二维纤维网络体系，以此还原液滴在多纤维连通结构中生长、迁移与聚并的真实动态行为：(a) 细径交织PAN纤维；(b) 粗径交织PAN纤维；(c) 含小孔/大孔的PAN纤维网络；(d) PVDF纤维网络；(e) 对应PAN网络光学实拍图；(f, g) 纤维间距0.5 μm、2 μm时液滴粘附仿真；(h) 亲水二维纤维平面随孔径扩张的液膜演化仿真。
图3.疏水-亲水双层纤维网络的层间液滴输运原位观测与机理示意图：(a) 双层纤维膜液滴演化光学图；(b) 双层网络液滴输运分步示意图；(c) 三维Janus复合膜液滴跨层输运四阶段机理图；(d) 膜表层俯视原位图；(e) 膜层间界面原位观测图。
（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-026-2683-1
作者：冯厦厦等 来源：《工程·化学工程》
