用户成果｜同济大学李雪松团队EST：应用EIS与QCM-D解析反渗透膜离子传输的限速步骤

背景知识

反渗透（RO）膜是海水淡化的核心技术，其离子传输机制长期存在争议——传统溶解-扩散模型认为离子需先分配至膜内再扩散，而新近提出的溶液摩擦模型则强调孔道流机制。尽管两者均涉及分配（partitioning）与扩散（diffusion）两步骤，但定量拆解二者的贡献率始终是技术难点，制约高性能膜设计。近日同济大学李雪松团队以“Direct Quantification of Ion Partitioning and Diffusion Resistances in Reverse Osmosis Membranes via Electrochemical Impedance Spectroscopy”为题，在《Environmental Science & Technology》上发表了相关研究进展。

研究方法

团队利用电化学阻抗谱（EIS），结合QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）技术：

（1）EIS电路设计：构建包含Randles电路（模拟离子分配）和传输线模型（TLM，模拟孔内扩散）的等效电路，直接量化分配阻力（R_en）与扩散阻力（R_in）。

（2）QCM-D核心作用：

分配过程能量分析：通过QSense QCM-D测量不同温度下盐分的分配系数，结合范特霍夫方程计算分配过程能量变化（E_en），验证EIS所得R_en的可靠性。

跨膜能垒解析：联合活化能分析，证实RO膜中扩散阻力占主导，揭示扩散为限速步骤。

实验结果与分析

1)阻力定量与主导机制：

EIS显示扩散阻力R_in比分配阻力R_en高4.5–6.0倍，证明扩散是RO膜离子传输的限速步骤。

活化能分析进一步验证：扩散能垒E_in显著高于分配能垒E_en。

2)浓度依赖性：

低浓度（0.1 mM）时分配阻力占比骤升，R_en与R_in接近1:1，为低盐度应用（如微污染物去除）提供新的膜设计思路。

3)铵离子（NH??）反常机制：

RO膜对NH??截留率（96.8%）低于K（99.1%），EIS揭示其扩散阻力降低50%，结合QCM-D数据推测因NH??与膜孔酰胺基团形成氢键，促进传输。

结论与展望

本研究通过EIS与QCM-D联用技术，首次实现RO膜离子分配/扩散阻力的实验解耦，证实扩散为RO膜的限速步骤，而在低盐度中分配阻力不可忽视。未来可基于此：

1. 高盐场景应用：优化膜孔化学性质以增强扩散阻力；

2. 低盐场景应用：设计高分配阻力涂层提升微污染物截留；

3. 离子选择性：利用氢键等弱相互作用调控特定离子传输。

基金支持

国家自然科学基金（52370046, 52430001）。

原文链接

https://doi.org/10.1021/acs.est.5c01683