(資料圖片)
進入 21 世紀以來，水資源短缺已經成為全球范圍內許多國家和地區亟待解決的主要問題之一。據聯合國發布的《2023 世界水資源發展報告》，目前全世界有 20 億至 30 億人面臨缺水問題，如果不加強國際合作，這種缺水現象預計將在未來幾十年里繼續惡化 [1]。 在此背景下，淡化海水和含咸水的地下水變得至關重要。相較于其他的海水淡化技術，反滲透技術擁有更為顯著的優勢，比如能效高、成本低。該技術的核心在于，具有良好致密性和水鹽分離性的聚酰胺膜。當對水分子施加壓力時，其可以從膜的一側傳輸至另一側，由此得到的純凈水，在經過簡單的預處理之后便可直接飲用。 事實上，自二十世紀六十年代起，科學家們就已經開始研究反滲透膜。長達半個多世紀以來，他們一直認為水和鹽在反滲透膜中的傳輸符合溶液擴散模型的原理。 該原理認為，反滲透膜的活性層是一個致密性極強的聚合物相，水分子會先溶解到膜中，然后在濃度梯度的作用下，擴散穿過膜。該模型還假設跨膜壓力是恒定的，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散的驅動力，而水在膜中的溶解度，以及膜內水分子的擴散率，對水的滲透性起到決定性作用。 不過，最近一些新研究的出現，促使已經被廣泛接受和運用的溶液擴散模型，面臨著被顛覆的挑戰。為了更好地探究反滲透膜中的水傳輸機制，來自美國耶魯大學的研究團隊，基于非平衡分子動力學模擬和溶劑滲透實驗，開展了一項新研究。 他們先采用非平衡分子動力學模擬的方法，探索了水分子在不同壓力下通過聚酰胺膜的轉運機制。 如下圖所示，厚度為 10 納米的聚酰胺膜（紫色）被放置在兩個石墨烯薄片活塞（橙色）之間，淺藍色透明表面則代表水分子。在模擬過程中，該團隊對左側石墨烯薄片施加液壓壓力（P1），對右側石墨烯薄片施加標準大氣壓（P2），壓力差的范圍處于 300 個大氣壓到 1500 個大氣壓之間。 圖丨水通過聚酰胺膜的分子模擬設置（來源：Science Advances） 基于上述實驗系統，該團隊不僅計算出膜內水分子的壓力和濃度，還追蹤了非平衡分子動力學模擬中水分子的軌跡。 他們借助水分子分析發現，水以團簇的形式通過短暫連接的孔隙網絡。“相當于膜里面有一些孔，但這些孔處于瞬間連續的狀態，可能在這一刻是連續的，但在下一刻又斷開了。如果對其施加壓力，就能夠促進孔與孔之間的連接。從水分子本身的視角來看，它是通過這種孔來實現傳輸的。”耶魯大學博士后研究員（現同濟大學環境科學與工程學院教授）解釋說。 該團隊基于非平衡分子動力學模擬開展了一系列實驗，發現決定水分子傳輸的因素并不是濃度梯度，而是反滲透膜內的壓力梯度，該結果不符合傳統的溶液擴散模型理論。基于此，他們提出了溶液摩擦模型。 為了進一步驗證該模型，系統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，進行了水和各種有機溶劑的滲透實驗。 實驗結果表明，當膜孔徑大于溶劑分子的大小時，溶劑滲透量隨著壓力的增加而增加；當溶劑分子的大小與膜孔徑接近時，必須克服一個臨界壓力。總的來說，溶劑的滲透，與三方面的因素有關，分別是膜孔徑大小、溶劑粘度和溶劑分子的動力學直徑。 圖丨固定膜電荷對水滲透的影響（來源：Science Advances） 首先，有利于指導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溶劑之間的摩擦力更小，進而提高水的傳輸效率，降低產水能耗。 其次，通過調節膜孔徑，實現不同有機溶劑的納濾分離，并在其他化工行業內獲得應用。 2023 年 4 月 14 日，相關論文以《反滲透膜中的水傳輸是由孔流控制的，而不是溶液擴散機制》（）為題在 Science Advances上發表 [2]。 圖丨相關論文（來源：Science Advances） 為該論文的第一作者，美國國家工程院院士、耶魯大學梅納赫姆·埃利梅萊赫（）教授擔任論文的通訊作者。 表示，該項研究后續還有兩方面的計劃。一方面是對不同離子在膜中的傳輸進行機理性的研究；另一方面是繼續開展不同溶劑在膜中的研究，探究如何實現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
目前第八屆“創客中國”生物制造中小企業創新創業大賽已開啟報名，截止日期 8 月 20 日！ 想成為這場盛宴的主角嗎？登錄創客中國大賽官網（/） 報名參賽，或點擊下方“閱讀原文”、掃描圖片二維碼皆可直接報名參加！ 關鍵詞：
