前

沿

聚酰胺膜是目前反渗透（RO）和纳滤（NF）膜技术的核心材料，因其高效的盐水分离能力和优异的能耗表现，被广泛应用于海水淡化、废水处理及资源回收等领域。与传统的膜材料相比，聚酰胺膜具有优良的机械强度、化学稳定性以及良好的选择性，能够有效截留盐离子和杂质。然而，聚酰胺膜在离子选择性方面仍面临诸多挑战，尤其是难以实现对不同离子（如Li⁺和Mg⊃2;⁺）的高效分离，且其低的离子-离子选择性导致共离子和反离子同时通过膜的现象，限制了膜在资源回收和精细分离中的应用。这些问题带来了深入理解和设计高选择性离子分离膜的重大科学与工程挑战。

1

成果简介

该团队系统探讨了共离子和反离子在聚酰胺膜中的传输行为，结合石英晶体微天平（QCM）实验、电化学膜电阻测量、分子动力学（MD）仿真和密度泛函理论（DFT）计算，首次揭示了盐离子与膜电荷作用抑制共离子分配同时加速其扩散的本质机理。通过设计高选择性的离子交换膜，有效解耦了共离子和反离子的扩散过程，深入分析了聚酰胺膜中离子的分配和扩散选择性。

研究表明，聚酰胺膜的负电荷通过唐南效应显著影响盐离子的分配，抑制了与膜电荷同性的共离子进入膜内，而增强了反离子的分配，从而决定了整体盐的选择性。同时，随着盐浓度的升高，电荷屏蔽效应导致共离子分配系数上升。该研究还发现纳滤膜因孔径较大和更高电荷密度，共离子的分配系数显著高于反渗透膜。上述实验和计算结果共同揭示了聚酰胺膜离子选择性的根本机理，为设计新型高选择性离子分离膜提供了理论依据和技术路径，有望推动资源回收、锂资源提取等绿色分离技术的发展。

研究亮点

（2）实验通过石英晶体微天平（QCM）测量结合扩展唐南理论，发现膜的负电荷显著抑制了共离子的分配，而促进了反离子的分配，且随着盐浓度升高，共离子分配因电荷屏蔽效应有所增加；

（3）利用高选择性离子交换膜设计，成功解耦了共离子与反离子的扩散过程，揭示共离子的扩散速率因膜内电荷作用反而加快，体现出复杂的电荷-离子相互作用；

（4）通过分子动力学（MD）模拟和密度泛函理论（DFT）计算，验证了实验中观察到的盐离子与膜之间的电荷耦合效应，揭示了分子层面离子传输的详细机制；

（5）膜过滤实验表明，聚酰胺膜整体的盐离子选择性主要由共离子在膜界面的分配行为决定，明确了膜的离子选择性本质，提出了针对高选择性离子分离膜设计的新思路。

3

图文解读

4

结论展望

其次，实验与分子模拟相结合，展示了电荷相互作用不仅限制了共离子的分配，还意外加快了其扩散过程，体现了复杂的物理化学耦合效应。这一发现为未来设计高效、精准的离子选择性膜提供了全新视角，即通过调控膜电荷性质及孔结构，实现对共离子分配的有效控制，从而优化膜的选择性能。

最后，本文提出的多尺度实验与计算方法为深入理解膜材料中微观离子传输过程树立了范式，有助于推动资源回收、锂提取等绿色技术的应用升级，促进膜分离技术向更高选择性和更低能耗方向发展。

5

文献信息

来源：微算云平台，仅供学术交流，助力科学传播，如有侵权，请联系后台删除。

原标题：《有「膜」法！同济大学，最新Science子刊！》