南京工业大学孙世鹏团队Engineering:轴向电荷分布纳滤传质模型的构建——Janus纳滤膜孔内离子传输机理的定量揭示

随着全球干旱半干旱地区淡水资源的日益紧张，苦咸水淡化与资源回收技术成为解决农业、饮用水和生态安全的关键。在众多水淡化技术中，纳滤（Nanofiltration, NF）技术因其高效分离和低能耗优势备受关注。近年来，具有非对称电荷分布的Janus纳滤膜因其在离子选择性分离中的优异表现，在水处理和离子资源化等方面展现出巨大应用潜力。然而， Janus膜中离子传输机制的研究目前仍大量停留在定性推测，缺乏关于轴向电荷异质性对离子传输影响的定量探究以及相应的数学模型，在一定程度上限制了其进一步优化与应用。

针对这一挑战，南京工业大学孙世鹏教授团队构建了具有轴向电荷分布的Janus膜离子传输模型， Axial charge distributed Donnan Steric Pore Model with Dielectric Exclusio模型，能够精确描述Janus膜离子传输行为的数学模型，揭示了轴向电荷分布产生的本征电场对离子传输的特异性影响（图1）。研究了南京蔚华膜科技有限公司的负电荷中空纤维纳滤膜（R90-SC）和正-负电荷梯度结构的Janus膜（R90-AC），通过深度剖析XPS与Zeta电位等手段验证了其非对称结构（图2）。

图1. 不同电荷分布膜结构的离子传输机制示意图

图2. R90-AC和R90-SC的深度剖析XPS表征

通过将DSPM-DE模型中的电荷密度参数（c_q）修正为随膜孔轴向位置（x）变化的电荷密度分布函数（c'_q（x））,实现了对于电荷不均匀分布纳滤膜传质行为的理论描述与预测，为电荷结构对离子传输行为影响的定量分析提供了理论工具。在模拟苦咸水体系中（含Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、HCO₃⁻、SO₄²⁻等六种离子），引入轴向电荷分布的DSPM-DE模型对六种离子的预测偏差均低于8%，优于传统模型（平均偏差>16%），显著提升了模型在复杂体系中对Janus纳滤膜分离效果的预测精度（图3）。

图3. 三种苦咸水体系下R90-AC膜处理效果的实验值与模型预测值对比

理论模拟进一步揭示，所制备的Janus膜中存在的轴向电荷梯度在膜内形成了一个强度达18.87 mV/μm的本征电场。该电场显著改变了离子的传输行为，导致电迁移项在扩展Nernst–Planck方程中的贡献出现异常（阳离子的电迁移贡献超过100%）（图4）。这表明Janus膜对离子具有“静电拖拽”效应，使阳离子在膜孔中沿轴向电场方向高效传输。离子渗透实验进一步验证了该效应：在双向渗透实验中，Mg²⁺的正向通量（2.69×10⁻² mol·m⁻²·h⁻¹）比反向通量（2.98×10⁻³ mol·m⁻²·h⁻¹）高出近一个数量级，而SO₄²⁻则呈现相反趋势，充分证明了电场对离子传输方向的控制能力（图5）。

图4. 离子传输过程中三种作用力贡献的量化分析

图5 （a） 膜孔内部本征电场产生的离子“静电拖拽”效应示意图；（b）混盐体系下R90-AC膜的正向与反向离子通量；对（c）MgCl₂和（d）Na₂SO₄的正向和反向离子通量

相关研究成果以“Ion Transport Mechanisms in Janus Nanofiltration Membranes with Asymmetric Charge Distribution: Quantitative Analysis of Electromigration Effects Driven by Charge Gradients”为题发表在Engineering上。该文章通讯单位为南京工业大学，共同第一作者为孙宇轩博士研究生和王振远助理教授，通讯作者为孙世鹏教授（ssp@njtech.edu.cn）。