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用户成果|莱斯大学Menachem Elimelech团队J. Membr. Sci.:应用QCM-D揭示聚酰胺膜溶质传输新机制

来源:佰奥林(上海)贸易有限公司 更新时间:2025-04-27 10:15:14 阅读量:115
导读:本文应用了QSense QCM-D技术揭示了聚酰胺膜溶质传输新机制与受阻传输理论局限性。



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背景知识
聚酰胺薄膜复合膜(TFC-PA)是反渗透(RO)和纳滤(NF)技术的核心材料,广泛应用于海水淡化、水净化和资源回收。尽管技术成熟,但其微观传质机制仍不清晰。传统受阻传输理论(HTT)假设膜为均匀圆柱孔结构,仅通过尺寸排阻效应描述溶质传输,但实际聚酰胺膜具有复杂孔隙网络,且溶质-膜亲和性可能显著影响传质。如何突破理论局限、精准预测溶质行为,成为提升膜性能的关键挑战。莱斯大学Menachem Elimelech团队近日以”Revisiting solute transport in polyamide membranes: Insights from neutral solute partitioning”为题,在《Journal of Membrane Science》上发表了相关研究,其中应用QCM-D揭示了聚酰胺膜溶质传输新机制与受阻传输理论局限性。  
研究方法
研究团队结合QSense耗散型石英晶体微天平(QCM-D)与膜过滤实验,系统评估HTT模型的适用性:
1.QCM-D技术:直接测量中性溶质(如乙二醇、木糖醇)在聚酰胺膜中的分配系数,揭示溶质-膜界面相互作用。
2.膜过滤实验:通过不同压力下的溶质截留率曲线,拟合HTT模型参数(如膜孔径)。
3.理论模型对比:将QCM-D实测数据与HTT预测值对比,分析溶质分配、对流扩散受阻因子的差异。
实验结果与分析
1.QCM-D揭示溶质分配新机制    

HTT模型预测的分配系数比QCM-D实测值低1个数量级,表明溶质进入膜的驱动力不仅依赖尺寸排阻,溶质-膜亲和性(如氢键、疏水作用)起关键作用。 
通过QCM-D动态吸附实验发现,溶质分配平衡仅需3分钟,且松散型膜(如NF270)的分配系数低于致密膜(NF90),挑战传统孔径决定论。

2.HTT模型的补偿效应 
HTT拟合的“合理孔径”源于低估分配系数高估孔内受阻因子的补偿。            
基于QCM-D数据修正后,膜内溶质浓度梯度被低估1个量级,但总溶质通量预测仍与实验一致,说明传统模型虽不精确,但参数耦合可平衡误差。    
结论与展望
本研究通过QCM-D技术首次量化了溶质-膜亲和性对传质的影响,揭示了HTT模型的根本缺陷,并提出:
1.新模型需融合尺寸排阻与分子相互作用,如引入简单筛分机制或随机电阻网络模型。
2.膜设计优化:针对小分子污染物(如硼、尿素),可通过调控膜表面化学性质增强选择性。
3.技术延伸:未来可拓展至带电溶质(如盐离子),结合Donnan效应研究电荷对传质的调控。      
基金支持    
本研究由美国国家科学基金会(NSF)、美国能源部(DOE)及莱斯大学膜卓越中心(RiCeME)资助。 
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.memsci.2025.124117    
更多QSense 石英晶体微天平技术详情,请点击文末的阅读原文链接查看。
瑞典科技简介
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耗散型石英晶体微天平测量仪 

追踪分子运动,实时表/界面表征

KSV NIMA: 

LB(Langmuir-Blodgett)膜分析仪

气液/液液/气固界面有序单/多层结构组装表征

布鲁斯特角显微镜

无损实时监测空气/水界面处分子层的图像

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