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2026

JMS: 从“阻力”看渗透,揭示摩擦力如何决定反渗透膜的水盐传输性能

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背景

在全球水资源短缺的背景下，膜法海水淡化与苦咸水脱盐成为制备饮用水与工业用水的关键技术。其中，聚酰胺复合反渗透（RO）膜凭借高选择性与低能耗被广泛应用。然而，尽管反渗透技术已取得显著进步，膜科学界仍面临一个基础性问题——水与盐在膜内究竟如何传输？传统模型多采用“溶液扩散”或“孔径筛分”视角解释，但难以全面描述实际的纳米级流动现象。近年来提出的溶解–摩擦模型指出，水分子与离子在通过膜纳米通道时，会与膜材料发生摩擦作用，这种分子间摩擦力不仅主导了通量与选择性的平衡，还决定了膜的本征分离极限。然而，这一关键因素在以往膜设计与性能预测中长期被忽视，亟需通过实验与分子模拟加以系统揭示。

创新

近日，美国莱斯大学Menachem Elimelech院士团队通过结合实验测量与分子动力学模拟，定量揭示了摩擦力在盐与水传输中的主导作用，并建立了基于SF模型的膜结构–性能关联框架。

多尺度测量解析膜结构与传输参数

研究者以多种商用聚酰胺TFC膜为研究对象，通过中性溶质截留实验精确测定孔径（0.6–0.7 nm），结合石英晶体微天平（QCM-D）与死端渗透实验分别测定盐分配系数与渗透系数。结果显示：当孔径仅增大0.1 nm时，盐分配提高18%，而盐渗透通量却增加了十倍以上，表明膜内摩擦传输过程比界面吸附更敏感地决定整体分离性能。

基于SF模型量化摩擦系数

通过拟合实验数据，研究团队提取了水–膜与离子–膜间摩擦系数，发现两者随孔径增大而显著下降，即孔道越宽，摩擦越弱，分子迁移更快。这表明膜的“松紧程度”直接控制了摩擦强度与渗透行为。

分子模拟揭示摩擦的物理起源

分子动力学（MD）模拟进一步验证了实验结果：在孔径较大的膜中，水与离子的自扩散系数均明显提高，因其与膜基体的相互作用变弱、摩擦阻力减小。实验–模型–模拟三者高度吻合，为摩擦主导的传输机制提供了分子尺度证据。

意义

该研究从摩擦力视角重新定义了反渗透膜的传质机制，揭示了一个长期被忽略却至关重要的“隐形参数”。

科学意义：

研究建立了“摩擦系数–孔径–通量/选择性”之间的定量关联，为膜科学提供了一个力学导向的传输框架，将分离性能与分子相互作用直接联系起来。

技术意义：

这一模型为结构优化与性能预测提供了新方法：通过调控膜孔径与化学结构，可在模型中精确预测水与盐的通量差异，为新型RO/NF膜设计提供物理基础参数化指导。

应用前景：

所提出的SF模型与实验策略可广泛应用于新一代海水淡化、废水回收及资源提取膜材料的设计，推动膜技术从经验优化走向可计算、可预测的理性设计阶段。