耶魯團(tuán)隊(duì)揭示反滲透膜中水和溶劑的傳輸機(jī)制，顛覆傳統(tǒng)溶液擴(kuò)散理論

來源： DeepTech深科技2023-08-14 18:36:05

(資料圖片)

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，水資源短缺已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)許多國家和地區(qū)亟待解決的主要問題之一。據(jù)聯(lián)合國發(fā)布的《2023 世界水資源發(fā)展報(bào)告》，目前全世界有 20 億至 30 億人面臨缺水問題，如果不加強(qiáng)國際合作，這種缺水現(xiàn)象預(yù)計(jì)將在未來幾十年里繼續(xù)惡化 [1]。

在此背景下，淡化海水和含咸水的地下水變得至關(guān)重要。相較于其他的海水淡化技術(shù)，反滲透技術(shù)擁有更為顯著的優(yōu)勢，比如能效高、成本低。該技術(shù)的核心在于，具有良好致密性和水鹽分離性的聚酰胺膜。當(dāng)對水分子施加壓力時(shí)，其可以從膜的一側(cè)傳輸至另一側(cè)，由此得到的純凈水，在經(jīng)過簡單的預(yù)處理之后便可直接飲用。

那么，在反滲透膜中，水和鹽究竟是如何被輸運(yùn)的呢？

事實(shí)上，自二十世紀(jì)六十年代起，科學(xué)家們就已經(jīng)開始研究反滲透膜。長達(dá)半個(gè)多世紀(jì)以來，他們一直認(rèn)為水和鹽在反滲透膜中的傳輸符合溶液擴(kuò)散模型的原理。

該原理認(rèn)為，反滲透膜的活性層是一個(gè)致密性極強(qiáng)的聚合物相，水分子會(huì)先溶解到膜中，然后在濃度梯度的作用下，擴(kuò)散穿過膜。該模型還假設(shè)跨膜壓力是恒定的，也就是說，在沒有壓力梯度的情況下，濃度梯度是水通過膜擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力，而水在膜中的溶解度，以及膜內(nèi)水分子的擴(kuò)散率，對水的滲透性起到?jīng)Q定性作用。

不過，最近一些新研究的出現(xiàn)，促使已經(jīng)被廣泛接受和運(yùn)用的溶液擴(kuò)散模型，面臨著被顛覆的挑戰(zhàn)。為了更好地探究反滲透膜中的水傳輸機(jī)制，來自美國耶魯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，基于非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬和溶劑滲透實(shí)驗(yàn)，開展了一項(xiàng)新研究。

他們先采用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，探索了水分子在不同壓力下通過聚酰胺膜的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。

如下圖所示，厚度為 10 納米的聚酰胺膜（紫色）被放置在兩個(gè)石墨烯薄片活塞（橙色）之間，淺藍(lán)色透明表面則代表水分子。在模擬過程中，該團(tuán)隊(duì)對左側(cè)石墨烯薄片施加液壓壓力（P1），對右側(cè)石墨烯薄片施加標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（P2），壓力差的范圍處于 300 個(gè)大氣壓到 1500 個(gè)大氣壓之間。

圖丨水通過聚酰胺膜的分子模擬設(shè)置（來源：Science Advances）

基于上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)不僅計(jì)算出膜內(nèi)水分子的壓力和濃度，還追蹤了非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬中水分子的軌跡。

他們借助水分子分析發(fā)現(xiàn)，水以團(tuán)簇的形式通過短暫連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)?！跋喈?dāng)于膜里面有一些孔，但這些孔處于瞬間連續(xù)的狀態(tài)，可能在這一刻是連續(xù)的，但在下一刻又?jǐn)嚅_了。如果對其施加壓力，就能夠促進(jìn)孔與孔之間的連接。從水分子本身的視角來看，它是通過這種孔來實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)?。”耶魯大學(xué)博士后研究員（現(xiàn)同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授）解釋說。

圖丨團(tuán)隊(duì)合照（來源：）

該團(tuán)隊(duì)基于非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬開展了一系列實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)決定水分子傳輸?shù)囊蛩夭⒉皇菨舛忍荻?，而是反滲透膜內(nèi)的壓力梯度，該結(jié)果不符合傳統(tǒng)的溶液擴(kuò)散模型理論?；诖?，他們提出了溶液摩擦模型。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該模型，系統(tǒng)地探究壓力在溶劑滲透中的作用，他們在聚酰胺和三乙酸纖維素這兩種反滲透膜上，進(jìn)行了水和各種有機(jī)溶劑的滲透實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)膜孔徑大于溶劑分子的大小時(shí)，溶劑滲透量隨著壓力的增加而增加；當(dāng)溶劑分子的大小與膜孔徑接近時(shí)，必須克服一個(gè)臨界壓力?？偟膩碚f，溶劑的滲透，與三方面的因素有關(guān)，分別是膜孔徑大小、溶劑粘度和溶劑分子的動(dòng)力學(xué)直徑。

圖丨固定膜電荷對水滲透的影響（來源：Science Advances）

據(jù)了解，該成果會(huì)對實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生以下幾方面的影響。

首先，有利于指導(dǎo)性能更加高效的反滲透膜制備。比如，將膜的表面制備得更加光滑，使其和水分子或和有機(jī)溶劑之間的摩擦力更小，進(jìn)而提高水的傳輸效率，降低產(chǎn)水能耗。

其次，通過調(diào)節(jié)膜孔徑，實(shí)現(xiàn)不同有機(jī)溶劑的納濾分離，并在其他化工行業(yè)內(nèi)獲得應(yīng)用。

2023 年 4 月 14 日，相關(guān)論文以《反滲透膜中的水傳輸是由孔流控制的，而不是溶液擴(kuò)散機(jī)制》（）為題在 Science Advances上發(fā)表 [2]。

圖丨相關(guān)論文（來源：Science Advances）

為該論文的第一作者，美國國家工程院院士、耶魯大學(xué)梅納赫姆·埃利梅萊赫（）教授擔(dān)任論文的通訊作者。

表示，該項(xiàng)研究后續(xù)還有兩方面的計(jì)劃。一方面是對不同離子在膜中的傳輸進(jìn)行機(jī)理性的研究；另一方面是繼續(xù)開展不同溶劑在膜中的研究，探究如何實(shí)現(xiàn)更加高效的溶液和溶液間的分離。

排版：朵克斯

參考資料：

:///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 Advances9, 15（2023）. /doi/#con1

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