耶鲁揭示反渗透膜中水和溶剂的传输机制，颠覆传统溶液扩散理论

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耶鲁揭示反渗透膜中水和溶剂的传输机制，颠覆传统溶液扩散理论

2023-08-21 08:30:57 来源：DeepTech

进入 21 世纪以来，水资源短缺已经成为全球范围内许多国家和地区亟待解决的主要问题之一。据联合国发布的《2023 世界水资源发展报告》，目前全世界有 20 亿至 30 亿人面临缺水问题，如果不加强国际合作，这种缺水现象预计将在未来几十年里继续恶化 [1]。

(相关资料图)

在此背景下，淡化海水和含咸水的地下水变得至关重要。相较于其他的海水淡化技术，反渗透技术拥有更为显著的优势，比如能效高、成本低。该技术的核心在于，具有良好致密性和水盐分离性的聚酰胺膜。当对水分子施加压力时，其可以从膜的一侧传输至另一侧，由此得到的纯净水，在经过简单的预处理之后便可直接饮用。

那么，在反渗透膜中，水和盐究竟是如何被输运的呢？

事实上，自二十世纪六十年代起，科学家们就已经开始研究反渗透膜。长达半个多世纪以来，他们一直认为水和盐在反渗透膜中的传输符合溶液扩散模型的原理。

该原理认为，反渗透膜的活性层是一个致密性极强的聚合物相，水分子会先溶解到膜中，然后在浓度梯度的作用下，扩散穿过膜。该模型还假设跨膜压力是恒定的，也就是说，在没有压力梯度的情况下，浓度梯度是水通过膜扩散的驱动力，而水在膜中的溶解度，以及膜内水分子的扩散率，对水的渗透性起到决定性作用。

不过，最近一些新研究的出现，促使已经被广泛接受和运用的溶液扩散模型，面临着被颠覆的挑战。为了更好地探究反渗透膜中的水传输机制，来自美国耶鲁大学的研究团队，基于非平衡分子动力学模拟和溶剂渗透实验，开展了一项新研究。

他们先采用非平衡分子动力学模拟的方法，探索了水分子在不同压力下通过聚酰胺膜的转运机制。

如下图所示，厚度为 10 纳米的聚酰胺膜（紫色）被放置在两个石墨烯薄片活塞（橙色）之间，浅蓝色透明表面则代表水分子。在模拟过程中，该团队对左侧石墨烯薄片施加液压压力（P1），对右侧石墨烯薄片施加标准大气压（P2），压力差的范围处于 300 个大气压到 1500 个大气压之间。

图丨水通过聚酰胺膜的分子模拟设置（来源：Science Advances）

基于上述实验系统，该团队不仅计算出膜内水分子的压力和浓度，还追踪了非平衡分子动力学模拟中水分子的轨迹。

他们借助水分子分析发现，水以团簇的形式通过短暂连接的孔隙网络。“相当于膜里面有一些孔，但这些孔处于瞬间连续的状态，可能在这一刻是连续的，但在下一刻又断开了。如果对其施加压力，就能够促进孔与孔之间的连接。从水分子本身的视角来看，它是通过这种孔来实现传输的。”耶鲁大学博士后研究员王力（现同济大学环境科学与工程学院教授）解释说。

图丨团队合照（来源：王力）

该团队基于非平衡分子动力学模拟开展了一系列实验，发现决定水分子传输的因素并不是浓度梯度，而是反渗透膜内的压力梯度，该结果不符合传统的溶液扩散模型理论。基于此，他们提出了溶液摩擦模型。

为了进一步验证该模型，系统地探究压力在溶剂渗透中的作用，他们在聚酰胺和三乙酸纤维素这两种反渗透膜上，进行了水和各种有机溶剂的渗透实验。

实验结果表明，当膜孔径大于溶剂分子的大小时，溶剂渗透量随着压力的增加而增加；当溶剂分子的大小与膜孔径接近时，必须克服一个临界压力。总的来说，溶剂的渗透，与三方面的因素有关，分别是膜孔径大小、溶剂粘度和溶剂分子的动力学直径。

图丨固定膜电荷对水渗透的影响（来源：Science Advances）

据了解，该成果会对实际应用产生以下几方面的影响。

首先，有利于指导性能更加高效的反渗透膜制备。比如，将膜的表面制备得更加光滑，使其和水分子或和有机溶剂之间的摩擦力更小，进而提高水的传输效率，降低产水能耗。

其次，通过调节膜孔径，实现不同有机溶剂的纳滤分离，并在其他化工行业内获得应用。

2023 年 4 月 14 日，相关论文以《反渗透膜中的水传输是由孔流控制的，而不是溶液扩散机制》（Water transport in reverse osmosis membranes is governed by pore flow, not a solution-diffusion mechanism）为题在 Science Advances 上发表 [2]。

图丨相关论文（来源：Science Advances）

王力为该论文的第一作者，美国国家工程院院士、耶鲁大学梅纳赫姆·埃利梅莱赫（Menachem Elimelech）教授担任论文的通讯作者。

王力表示，该项研究后续还有两方面的计划。一方面是对不同离子在膜中的传输进行机理性的研究；另一方面是继续开展不同溶剂在膜中的研究，探究如何实现更加高效的溶液和溶液间的分离。

排版：朵克斯

参考资料：

:///en/articles/world-water-report-warns-imminent-water-crisis

., Wang, J., He. et al. Water transport in reverse osmosis membranes is governed by pore flow, not a solution-diffusion mechanism. Science Advances 9, 15（2023）. /doi/#con1

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