耶鲁大学Elimelech教授团队近期于Desalination期刊（2024, 580, 117575）发表题目为“The Solution-Diffusion Model for Water Transport in Reverse Osmosis: What Went Wrong?” 的展望文章。该文章第一作者为Hanqing Fan (范汗青)，通讯作者为Menachem Elimelech教授。
【研究亮点】
- 反渗透膜的水传输不是基于“溶解-扩散”（solution-diffusion）机制。
- 本文讨论了“溶解-扩散”模型中的重大缺陷。
- 反渗透膜中的水传输由“孔流”（pore flow）机制控制，由压力梯度驱动。
- 反渗透膜中的盐和水的传输是相互影响的，可以用“溶解-摩擦”（solution-friction）模型来描述。
【文章简介】
反渗透（reverse osmosis, RO）膜技术，因其高能效和低成本，成为使用最广泛的脱盐技术。提升这项技术性能的关键在于准确理解RO膜的传输机理。几十年来，“溶解-扩散”模型（solution-diffusion）是描述RO膜中水传输的主要方法。该理论认为水分子先溶解分配到膜中，再沿膜内水的浓度梯度扩散。然而，近期的实验和理论发现对这一模型的基本假设提出了严重挑战。事实证明，RO膜中的水传输应基于孔流（pore flow）机制，即由压力梯度驱动水在膜孔道内流动。
本文总结了“溶解-扩散”模型的七大问题 (图.1): (1)RO膜是多孔的，而非“溶解-扩散”模型假设的均质、致密状态。(2)反渗透过程中，膜内存在水压梯度，而非“溶解-扩散”模型假设的恒定压力状态。（3）水分子在膜孔中以团簇形式存在，而非离散于膜中以驱动扩散。（4）“溶解-扩散”模型所描述的水的浓度梯度在膜中并不存在，因压力压缩而产生的孔隙率变化不能视作浓度梯度。（5）渗透（osmosis）的物理本质是压力驱动过程，并不遵循“溶解-扩散”机制，将水的正渗视为扩散过程是重大误解。（6）“溶解-扩散”模型对扩散这一概念存在误用，而实际上，摩擦力（friction）决定了传输速率。（7）“溶解-扩散”模型认为水和盐的传输是独立的，而事实上，二者通过摩擦作用相互影响。
以上七方面谬误，存在于“溶解-扩散”模型的基础假设之中的，并被实验观测、分子模拟和理论分析所揭示并证实。“溶解-扩散”模型的机理误导阻滞了RO膜和RO技术的发展。在文末，我们展望了未来膜机理的研究方向——基于“溶解-摩擦”（solution-friction）模型推进RO膜的发展。这一对RO膜传输机理正本清源的转变，将极大地推动相关研究工作更加实质高效地改善RO膜和RO技术的性能，同时对更广泛的膜分离技术产生深远影响。
图1. “溶解-扩散”模型的七个关键缺陷：（A）反渗透膜是多孔的，而不是”溶解-扩散”模型所描述的均质的、致密的聚合物相。（B） 在反渗透膜内存在水压梯度，而不是”溶解-扩散”模型所描述的恒压状态。（C）水分子在膜中是聚集成团的，而不是”溶解-扩散”模型所描述的离散状态。（D）”溶解-扩散”模型所描述的水的浓度梯度不存在，流动方向上的孔隙率可能受压力压缩而减小，但这不是扩散所需的浓度梯度。（E）渗透（osmosis）的物理本质是压力驱动过程，不遵循”溶解-扩散”机制。（F）在”溶解-扩散”模型中，扩散是一个被误用的概念，而实际上是摩擦控制了传输。（G）在”溶解-扩散”模型中，水和盐的传输是独立的，而实际上它们通过摩擦相互作用。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117575
第一作者：
Hanqing Fan (范汗青) 博士
工作单位：耶鲁大学化学与环境工程系
邮箱地址：hanqing.fan@yale.edu
第二作者：
Mohammad Heiranian 助理教授
工作单位：North Carolina State University
邮箱地址：mheiran@ncsu.edu
通讯作者：
Menachem Elimelech 教授
工作单位：耶鲁大学化学与环境工程系
通讯邮箱：menachem.elimelech@yale.edu
网址：https://elimelechlab.yale.edu/
Menachem Elimelech教授是耶鲁大学化学与环境工程系Sterling讲席教授。美国国家工程院院士，中国工程院、澳大利亚技术与工程学院、加拿大工程院外籍院士。科睿唯安高被引学者。研究方向包括面向水-能耦合的先进膜分离技术、新一代海水淡化和水处理膜材料、环境纳米技术等。
本期编辑：朱军勇（郑州大学）
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