随着水-能关系的日益紧张,探索低能耗和高效率的淡水获取方式成为当务之急。相比其他的海水淡化方式,膜蒸馏技术因其分离效率高、操作条件温和、对薄膜力学性能要求低、可利用低品位热源等特点受到广泛关注。但是温度极化效应等问题的存在导致膜蒸馏过程能耗过高、效率较低,阻碍其进一步的发展和应用。尽管采用光热和焦耳热等自热膜蒸馏过程能够有效缓解上述问题,但是目前依旧缺乏能够实现稳定和高效淡水输出的高质量复合薄膜,在光热和焦耳热等多物理场作用下膜组件内部的能量转换规律以及热质传递特性尚不明确。因此,本文以光热/焦耳热膜蒸馏为研究对象,针对光热/焦耳热膜蒸馏热质传递过程开展数值模拟和实验研究,拟为相关膜分离工业过程指导和优化提供理论依据。采用静电纺丝、喷涂和浸润等一系列方法制备聚二甲基硅氧烷/多壁碳纳米管/聚偏氟乙烯（PDMS/MWCNT/PVDF）复合薄膜,对薄膜的结构、形貌和成分等进行表征,分析在不同工况下薄膜结构和性能的变化。探究在不同多壁碳纳米管（MWCNT）含量下薄膜的光吸收特性。同时探究不同电流频率下的电化学特性以分析复合薄膜在盐溶液中的抗腐蚀能力和热转化性能。研究表明复合薄膜三层结构相互配合实现良好的膜蒸馏性能:底部的PVDF层允许水蒸气透过但阻止盐离子渗透;中间层由MWCNT组成,能够提供优秀的光吸收能力和焦耳热转换能力;顶部的PDMS层可阻止MWCNT的脱落,提高薄膜使用寿命。建立直接接触式光热膜蒸馏数值模型,对光热膜蒸馏的海水淡化性能和膜层温度的变化规律进行数值模拟研究,探究在不同聚焦度太阳光照射下的热集中情况和淡水生产速率。同时搭建基于PDMS/MWCNT/PVDF复合薄膜的气隙式光热膜蒸馏实验系统,进一步分析不同薄膜处理方式、不同MWCNT含量以及不同光强对气隙式光热膜蒸馏的影响。结果表明,在薄膜附近可观察到的薄膜温度高于料液主体的现象,证明光热膜蒸馏过程实现了热集中和局部加热。并且利用尺寸效应和提高太阳能聚焦比可有效提升膜蒸馏性能。搭建基于复合薄膜的气隙式焦耳热膜蒸馏实验系统,对多级热集中和多级热回收装置相结合的热管理系统作用下的膜蒸馏过程进行实验研究,分析复合薄膜在不同电流频率、输入功率和能量聚集程度下的焦耳热转换特性,进而研究薄膜处理方式、电流频率和输入功率等对焦耳热膜蒸馏过程的影响,重点探究多级热集中和多级热回收的强化效果。结果表明,基于蒸气通量与能量集中程度间的非线性关系,调节薄膜导电层面积可实现多级热集中,进而提升膜蒸馏性能并降低系统成本,实现膜蒸馏性能的进一步强化。搭建基于复合薄膜的光热/焦耳热共同作用膜蒸馏实验系统,对光热/焦耳热共同作用时的膜蒸馏过程进行实验研究。与独立的光热和焦耳热过程进行对比,分析光热/焦耳热膜蒸馏性能。同时应用数值模拟研究方法,分析光热膜蒸馏过程和焦耳热膜蒸馏过程的差异,进而研究加热方式、料液速度和输入功率等相关因素对膜蒸馏过程热质传递特性的影响。结果表明,和纯光热膜蒸馏过程相比,由于采用了更高品味的电能,光热/焦耳热膜蒸馏过程不仅可以获得稳定的淡水输出,而且通过保持较大的功率密度和较高的温度可以实现更为高效的膜蒸馏过程。由于热集中特性,淡水生产速率与温度呈指数上升关系,表明通过热集中获得较高薄膜温度可有效提升膜蒸馏过程中的淡水生产速率和热效率。针对膜蒸馏过程中水分子的蒸发和扩散过程,从降低水蒸发过程的传质阻力和有效蒸发焓角度出发,建立水分子在CNT薄膜孔隙结构中运动的分子模型并进行数值模拟研究。分析温度、CNT结构以及CNT表面基团等对膜蒸馏过程中水分子蒸气通量的影响。同时探究在CNT及其表面基团与水分子相互作用下的氢键和复合薄膜有效蒸发焓值变化规律。结果表明,水的蒸气通量与温度呈指数上升关系,与宏观条件下的实验结果一致。而在对数坐标下,水的蒸气通量与CNT层数呈线性下降的关系。引入表面基团后,随着CNT直径的增加和间距的减小,水分子间形成的氢键数量变化较小,但是平均氢键长度增加,水分子之间的相互作用变弱,复合薄膜有效蒸发焓值下降。