乙醇作为生物燃料、医药化工核心原料，无水乙醇制备长期受制于乙醇 – 水共沸体系分离难题。传统共沸精馏、单一加热渗透汽化工艺存在整体供热损耗大、膜材料高温易降解、分离能效偏低等行业瓶颈。近日，国内科研团队围绕光热 — 焦耳热双热源协同局域加热核心思路，成功构建一体化耦合渗透汽化乙醇脱水系统，实现太阳能与低电压电能梯级协同供热，大幅降低分离能耗、同步提升渗透通量与分离选择性，为绿色低碳无水乙醇规模化生产提供全新技术路径。
当前工业无水乙醇生产主流采用精馏耦合渗透汽化工艺，系统依靠外部热源对整罐料液升温，大量热量散失于管路与料液本体，热利用率不足 30%；持续高温工况易造成亲水分离膜溶胀破损，缩短膜组件使用寿命；仅依靠单一热源加热还存在温度极化现象，水分子跨膜传质驱动力受限，难以兼顾高通量与高分离精度。
针对上述技术短板，研究团队创新提出膜界面原位双热源耦合供热方案，打通光热转换、焦耳电加热、渗透汽化分离多物理场协同机制，完整搭建光热 — 焦耳热协同耦合渗透汽化乙醇脱水成套实验系统。整套系统分为复合多功能分离膜单元、双热源协同调控装置、真空渗透收集与数据测控四大模块。
系统核心核心载体为 MWCNTs/SA-PAN@玄武岩纤维复合渗透汽化膜：以高强度玄武岩纤维织物为支撑基底，经聚丙烯腈预处理提升界面结合力，表层负载羧基化多壁碳纳米管 – 海藻酸钠亲水光热分离层，同步具备高效太阳光吸收转化、水分子优先筛分、导电发热三重功能；配套装置将不锈钢金属网集成密封垫片与焦耳发热层，贴合膜片背侧实现界面靶向低电压产热，与膜表层光热效应形成上下协同局域升温，热量集中于膜分离界面，彻底规避整体料液加热的巨大热损耗。
在标准 1 倍太阳光辐照、2.9 V 低电压协同运行工况下，针对 90 wt% 工业粗乙醇原料开展连续脱水测试，最优碳纳米管负载配比复合膜实现渗透通量 1124.67 g・m⁻²・h⁻¹，分离因子高达 1313.64，分离性能显著优于单一光热、单一焦耳热及传统水浴加热渗透汽化体系。能耗测算数据显示，双热源协同系统综合能耗较传统外部水浴加热工艺降低 80% 以上；120 小时长周期连续稳定性测试中，膜通量、分离因子无明显衰减，膜片无溶胀、剥离、渗漏问题，展现优异运行耐久性。
机理研究表明，光热与焦耳热存在显著协同增效效应：太阳光照射膜表面快速提升界面局部温度，削弱水分子氢键束缚，降低跨膜扩散能垒；背侧低电压焦耳热补充稳定热源，抵消渗透汽化汽化吸热带来的界面温降，消除温度极化；微弱电场同步调控膜内纳米孔道水分子排布，强化水醇分子筛分差异，实现 “升温促通量、电场提选择性” 的 1+1＞2 耦合效果。两种热源可根据光照条件独立或联合工作，昼夜均可稳定运行，适配分布式光伏、厂区太阳能供能等绿色能源场景。
相较于现有技术，该耦合系统具备三大核心创新优势：
- 能源结构绿色低碳：以太阳能为主要供热来源，辅以极低电压焦耳热补热，大幅减少工业蒸汽、燃气消耗，契合生物制造、精细化工碳中和改造需求；
- 局域供热极致节能：热量仅在膜分离界面生成，无需对全部原料液加热，热利用效率实现跨越式提升，显著降低生产运行成本；
- 膜组件长效耐用：界面精准控温避免原料整体高温，缓解高分子亲水膜热降解与过度溶胀，延长膜更换周期，降低设备运维投入。
研究负责人表示，生物乙醇是可再生能源产业关键载体，无水乙醇广泛应用于车用清洁燃料、消毒剂、有机合成溶剂等领域。这套光热 — 焦耳热协同耦合渗透汽化系统，突破传统分离工艺能耗与性能相互制约的痛点，适配中小型生物发酵企业、分布式乙醇提纯产线改造。下一步团队将推进复合膜宏量制备、模块化膜组件放大试验，优化系统热量回收回路，开发适配不同浓度发酵乙醇原料的成套一体化设备，推动新型低能耗渗透汽化脱水技术产业化落地，助力生物化工行业绿色低碳转型升级。
