学院计算化学和人工智能课题组近日在国际分离纯化领域著名期刊Desalination上发表了题为Chelation-gated ion transport in EDTA-functionalized COF membranes: A molecular-level mechanistic study的研究论文。该文章第一作者为重庆三峡学院2024级硕士研究生向导，通讯作者为重庆三峡学院宋先雨副教授，研究生指导教师为黄美英教授。研究工作得到了广西大学赵双良教授、华东理工大学刘洪来教授的指导，以及四川文理学院向文军教授以及周楚翔工程师的指导。
在全球淡水资源日益紧缺的背景下，海水与高盐废水处理中最具挑战的问题仍然是：如何同时做到高离子排阻、高水通量，并能承受极端盐度。传统的反渗透与纳滤膜受限于Donnan效应、静电屏蔽和多价离子干扰，在盐度超过0.6–1.0 M的海水或高盐废液中性能急剧衰减。该论文提出了一个突破性的思路：将强金属螯合剂EDTA（乙二胺四乙酸）精准接枝到COF（共价有机框架）孔道，构建一种分子层级的“螯合闸门”机制，并通过DFT与MD双尺度模拟揭示其科学原理，论文的膜结构设计如图1。
图1 COF-TpBD膜进行海水淡化的MD模拟设置
图2为评估EDTA-COF膜的离子选择性，研究测试了其在MgCl₂、CaCl₂、NaCl、KCl、LiCl和NH₄Cl六种盐溶液中的水通量与盐排阻性能（2–80MPa）。结果显示，水通量随压力升高而增加，其中NaCl和NH₄Cl通量最高（80MPa达~4.5×10⁴kg·m⁻²·h⁻¹），而二价盐（Mg²⁺、Ca²⁺）通量较低，反映了明显的离子特异性阻力。盐排阻表现出二价离子优先截留（>95%），单价离子排阻较低且随压力略下降，表明孔道阻塞与EDTA配位共同调控离子选择性。与文献中COF、石墨烯氧化物和沸石膜相比，本研究膜兼具高排阻（>95%）和中高水通量（Jw>1.0L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹），体现了螯合门控机制在维持水渗透性的同时实现高离子选择性。该工作展示了EDTA-COF膜在复杂盐水与工业废水处理中的潜力，并为未来通过调控配体密度与孔道结构优化离子分离提供了方向。
图2 EDTA改性COF膜在不同盐溶液中的分离性能。(A)在不同压力（2–80MPa）下，对各种阳离子（Mg2+、Ca2+、Na+、K+、Li+和NH4+）的水通量和(B)盐截留率。(C)将EDTA接枝COF膜（本研究，红色星号）的水通量(Jw)和盐截留率与先前报道的膜进行比较，包括COF（红色圆圈）、氧化石墨烯（蓝色圆圈）、沸石（绿色圆圈）和其他材料（灰色圆圈）
热力学分析表明，EDTA对多价离子具有极强的结合能力（Mg²⁺ > Ca²⁺ > NH₄⁺ ≈ Li⁺ > Na⁺ ≈ K⁺> H₂O），为孔内选择性捕获提供了能量驱动力。分子动力学模拟显示，EDTA的引入显著改变孔道内部结构，使离子在孔壁形成高密度局域聚集、减小有效孔径并破坏水的氢键网络，从而建立优先捕获多价离子的“螯合陷阱”，实现对离子迁移的强抑制，而水分子仍可保持较高扩散性。压力高达80 MPa的脱盐模拟中，EDTA-COF对六种常见盐类均表现出>90%的稳定截留，同时水通量可达4.5×10⁴ kg·m⁻²·h⁻¹，远优于原始COF膜。在模拟真实高盐废水（含Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺、SO₄²⁻、NO₃⁻等）时，EDTA-COF保持对多价离子的>99%高选择性和稳定通量。整体而言，该工作建立了一个可精确调控离子—配体作用的分子级膜设计范式，展示了螯合化学与纳米限域的协同效应可用于构筑下一代高盐废水处理及特定离子分离的高性能纳滤膜。
本研究由国家自然科学基金（项目编号：22478045和22178072）、重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0099和CSTB2025NSCQ-LZX0099）以及重庆市教委科技研究项目（项目编号：KJZD-K202301202）资助。
