单体浓度调控聚酰胺纳滤膜结构-性能关系的分子动力学机制研究

【编辑推荐】针对聚酰胺纳滤膜(Polyamide NF)选择性层微观结构调控难题，南京工业大学团队通过分子动力学(MD)模拟研究哌嗪(PIP)/均苯三甲酰氯(TMC)单体浓度对界面聚合(IP)过程的影响。发现低PIP浓度可降低网络交联度(DNC)，形成高水通量(390.5 LMHB)路径，同时揭示离子脱水行为与孔道形态的协同作用，为高性能膜设计提供理论依据。

　　

水资源短缺已成为全球性挑战，膜分离技术因其高效节能特性成为海水淡化和水回用的核心解决方案。然而，传统反渗透膜在提升水通量时面临能耗瓶颈，研究者们逐渐将目光转向兼具高选择性和适度渗透性的纳滤膜(NF)。聚酰胺薄膜复合(TFC)膜作为主流NF膜，其性能核心在于界面聚合(IP)形成的选择性层——该层的厚度、网络交联度(DNC)和孔径分布直接决定膜性能，但微观结构形成机制与传输特性的关联仍是未解之谜。

南京工业大学研究团队在《Journal of Membrane Science》发表论文，通过分子动力学(MD)模拟揭示了单体浓度对聚酰胺纳滤膜结构-性能的调控机制。该研究创新性地构建了双溶剂环境下的界面聚合反应模型，采用非平衡分子动力学(NEMD)模拟膜性能，首次从原子尺度阐明了单体扩散-反应动力学对膜微观结构的塑造规律。

关键技术包括：1) 采用moltemplate构建哌嗪(PIP)/均苯三甲酰氯(TMC)分子模型；2) 双溶剂体系(水相/正己烷)模拟界面聚合过程；3) 非平衡分子动力学(NEMD)评估水渗透性(LMH/bar)和Na⁺截留率；4) 通过自由体积理论分析膜孔道特性。

【Construction of polyamide membranes in a dual-solvent environment】
模拟四种单体比例(PIP 0.25-2.00 wt%)的IP过程，发现低PIP浓度导致反应区变薄，TMC过量促使形成松散网络结构。扩散动力学分析显示，PIP浓度降低会延缓界面反应速率，形成更多线性聚合物链。

【Membrane performance】
性能测试显示水通量随PIP浓度降低呈指数增长(103.2→390.5 LMHB)，而Na⁺截留率从65.5%降至2.8%。厚度归一化分析表明，低DNC膜的本征渗透性提升3.8倍，证实结构疏松化创造更多水传输路径。

【Conclusion】
研究揭示了单体浓度通过调控扩散-反应动力学影响膜结构的双重机制：PIP浓度降低既减少交联点密度，又增大自由体积分数。离子传输路径分析发现，低DNC膜中Na⁺更易保留水合壳层，而高交联膜通过空间位阻和介电排斥协同增强选择性。该成果为精准调控聚酰胺膜性能提供了分子设计蓝图。

这项研究的突破性在于首次通过动态模拟再现了IP全过程，建立了从单体配比→反应动力学→微观结构→宏观性能的完整关联链条。提出的"孔道形态-水合壳层协同"机制超越了传统DSPM-DE模型的刚性孔假设，为开发下一代超选择性纳滤膜奠定了理论基础。研究获得国家自然科学基金支持，相关方法学可拓展至其他界面聚合膜体系的设计优化。