随着全球人口的迅速增长和工业化的不断发展，淡水资源的短缺问题愈发凸显，成为制约人类可持续发展的严峻挑战之一。因此人们开始大力开发废水处理技术，膜分离技术作为一种新兴的水处理方法，以其高效、节能、环保等特点受到广泛关注。目前膜材料的研究主要集中在已开发的功能高分子膜材料和无机膜材料，而适用于制备分离膜的高分子材料有限，且这些材料制成的分离膜的性能又各有其长处和不足。本研究探讨了一种生态友好、可再生且低成本的仿生膜—腐殖酸膜。采用非平衡分子动力学（MD）技术，利用周期性膨胀—压缩方法和拓扑交联技术，构建了不同交联网络结构的腐殖酸膜，并探讨了它们在12种盐溶液（Mg²⁺、Ca²⁺、Li⁺、Na⁺、K⁺、NH₄⁺，CO₃²⁻、SO₄²⁻、F⁻、OH⁻、Cl⁻、NO₃⁻）中的水通量、盐排斥率和渗透性等性能。结果表明腐殖酸膜具备与二维膜（氧化石墨烯、金属有机框架材料）或商业聚合物膜（PIM膜）相媲美的分离性能，为腐殖酸膜用于海水淡化及废水处理提供了理论依据。

图1 三种交联程度腐殖酸膜的微观孔隙结构，孔径分布

从图1可以看出，通过改变交联程度，我们成功实现了对腐殖酸膜孔径的调控，为过滤膜的设计和应用提供了新的思路和方法。这些结果为我们深入理解膜结构与性能之间的关系提供了重要线索。

图2 腐殖酸膜分离性能

图2为不同交联程度腐殖酸膜的海水淡化性能表征，在水通量方面，我们观察到不同交联程度下的腐殖酸膜具有不同的水通量，且通过模拟不同压力下的水通量变化，验证了其在实际应用中的可行性和稳定性。在盐截留率方面，我们发现交联程度的增加会降低膜的盐截留能力。特别的，本文将腐殖酸膜的脱盐性能与文献报道中的一些膜进行了比较，单体腐殖酸膜具有与商用反渗透膜及ZIF-93相媲美的脱盐率。

图3 腐殖酸膜海水淡化过程热力学性质

热力学结果表明，水分子和离子在腐殖酸膜中筛分遵循动态“跳跃—输运（Hopping–Transport）”机制，离子的水合能力影响其分离效率，离子水合能力降低，脱盐率下降。因此，在实现水合能力较弱的离子（如K⁺、NH₄⁺、Cl⁻、NO₃⁻）分离，需要考虑纳米孔或表面功能化提高分离性能。

图4 不同盐溶液中腐殖酸膜的分离性能

对于阳离子来说，强水合性质的阳离子（如Mg²⁺和Ca²⁺）在腐殖酸膜上表现出更高的截留率和较低的水通量，这主要是由于它们的水合尺寸较大，且水合能量更强。相比之下，中度和弱水合性质的阳离子（如Li⁺、Na⁺、K⁺和NH₄⁺）在腐殖酸膜上显示出较高的水通量和较低的截留率，这与它们较小的水合尺寸和较弱的水合能量有关。在阴离子方面，腐殖酸膜的截留性能主要由孔径控制，不同阴离子的水通量和截留率差异相对较小。

综上，本项研究有助于评估腐殖酸仿生膜的海水淡化性能，并有助理解离子和水分子在仿生膜中的筛分机制，进而指导其他生物启发膜的设计与开发。

2023年10月18日，学院2021级硕士研究生刘洪超的研究论文“Bioinspired humic acid-based membranes for water desalination: Mechanistic insights from molecular simulations”被工程技术类SCI期刊《Desalination》接收(中科院1区TOP，IF₂₀₂₃=9.9)，本研究工作得到宋先雨副教授的指导，与新加坡国立大学Jianwen Jiang教授、广西大学赵双良教授、华东理工大学刘洪来教授合作完成，获得国家自然科学基金(22108022、22178072)、重庆市自然科学基金面上项目(cstc2021jcyj-msxmX0005）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2023.117092