分子调控聚酰胺纳米结构突破渗透选择性瓶颈实现精准离子筛分

本研究针对聚酰胺(PA)纳滤膜存在的渗透通量-选择性权衡难题，创新性地提出通过阳离子三唑杂环聚酰胺(CTHP)的分子构建策略。研究人员采用可扩展的界面聚合法，设计合成季铵化三唑单体(DAT-NH2)，成功制备出具有亚纳米级精确孔道结构的CTHP纳滤膜。该膜展现出超高的二价阳离子截留率(>99%)、9倍提升的一/二价阳离子筛分选择性，以及3倍增加的纯水渗透通量，同时具备优异的抗污染性和化学稳定性。分子模拟揭示CTHP结构可协同调控孔道尺寸分布与水合离子相互作用能垒，为突破膜分离性能极限提供了新思路。

　　

在可持续水处理领域，纳滤(NF)技术因其高效节能特性备受关注，但传统聚酰胺(PA)膜始终面临渗透通量与选择性此消彼长的根本性难题。当试图提高膜孔尺寸均一性来增强筛分效果时，往往导致水传输阻力剧增；而改善膜表面电荷密度虽可强化Donnan排斥效应，却又会牺牲渗透性能。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约着纳滤膜在锂镁分离、废水回用等精准分离场景中的应用。

天津大学的研究团队在《Nature Communications》发表突破性成果，通过分子工程策略设计出阳离子三唑杂环聚酰胺(CTHP)纳米结构膜。该研究创新性地合成3,5-二氨基-4/1-(2-氨乙基)-1,2,4-三唑(DAT-NH₂)异构体作为功能单体，与聚乙烯亚胺(PEI)共聚形成具有精确亚纳米孔道的薄层复合膜。实验与模拟证实，CTHP结构不仅能形成2.8?的窄分布孔道，其高极性三唑环还可建立低阻力的水传输路径，最终实现渗透-选择性的协同提升。

研究采用界面聚合法制备薄膜复合膜，通过FT-IR和XPS表征化学结构，FESEM/TEM分析形貌特征，结合PEG截留测试确定孔道参数。采用密度泛函理论(DFT)计算分子相互作用能，分子动力学(MD)模拟水分子传输行为，并通过差示扫描量热法(DSC)研究离子脱水热力学。长期稳定性测试在跨膜压力6 bar下持续120小时，同时考察了pH(1-13)和盐度(1000-8000 ppm)的耐受性。

"分子结构调控"部分揭示，DAT-NH₂单体的三唑环具有3.974 Debye的高偶极矩，其不对称电荷分布形成局部亲水域。XPS显示DP-M膜的O/N比降至0.96，表明交联度显著提高。分子模拟证实CTHP结构使自由体积分数(FFV)降至10.3%，孔径分布集中在2.75?，较基准膜(P-M)的3.38?明显收窄。

"性能突破"章节展示，DP-M膜对Mg²⁺的截留率达99.1%，Li⁺/Mg²⁺选择性达39，是基准膜的9倍。纯水渗透通量达50 LMH/bar，提升3倍且保持120小时稳定。在pH 1-13和高达8000 ppm盐度下性能无衰减，200 ppm NaClO浸泡175小时后仍保持99%截留率。

"作用机制"分析指出，5.6?的精确孔径介于Li⁺水合(7.6?)与脱水直径(4.8?)之间。DFT计算显示Mg²⁺水合能(-1922.45 kJ/mol)远高于Li⁺(-563.52 kJ/mol)，DSC证实Mg²⁺在膜内的结晶焓(△H_c=-303.0 J/g)显著大于Li⁺。相互作用区域指示器(IRI)分析发现CTHP可产生0.013 arb.units的特异性空间位阻，静电势(ESP)计算显示其表面正电势达55.55 kcal/mol。

这项研究通过巧妙的分子设计，在聚酰胺膜中构建出兼具精确筛分和快速输运功能的亚纳米结构，首次实现渗透-选择性权衡关系的突破。所开发的CTHP膜对二价阳离子的截留性能创下新高，其Li⁺/Mg²⁺分离因子达39，为盐湖提锂等战略资源回收提供了新方案。分子模拟揭示的"尺寸筛分-静电排斥-可控脱水"协同机制，为下一代分离膜设计建立了普适性理论框架。该成果不仅推动膜分离科学的发展，对实现"双碳"目标下的可持续水处理也具有重要实践意义。