纳米流体膜中软层电荷调控：提升海水淡化效能的新途径

为解决全球淡水短缺问题，研究人员通过调控纳米流体膜软层电荷分布（单极/双极/三极），结合Poisson-Nernst-Planck和Navier-Stokes方程模拟，发现双极纳米通道在30 bar压力下可实现85%–96%的盐截留率，并展现1.60 nA（KCl）的离子电流整流效应，为低能耗高效淡化技术提供新思路。

　　

全球淡水危机日益严峻，传统海水淡化技术如反渗透(RO)和电渗析(ED)面临高能耗、膜污染等瓶颈。纳米流体膜凭借表面电荷效应和纳米限域特性成为新兴解决方案，但其电荷分布对脱盐性能的影响机制尚不明确。伊朗科学技术大学和台湾科技大学的研究团队通过系统研究三种软层电荷构型（单极、双极、三极）在纳米通道中的调控作用，揭示了电荷不对称性对离子选择性的关键影响，相关成果发表于《Desalination》。

研究采用有限元法求解耦合Poisson-Nernst-Planck-PNP方程和Navier-Stokes方程，通过COMSOL Multiphysics 6.2构建圆柱形纳米通道模型，分析LiCl/NaCl/KCl在电场-压力协同作用下的传输行为。重点考察Peclet数(Pe)、跨膜压力(TMP)等参数对脱盐效率的影响。

Problem definition
构建对称圆柱形纳米通道模型，对比单极(负电荷)、双极(负-正电荷)和三极(负-正-负电荷)三种聚电解质层(PEL)构型。PEL厚度10 nm，电荷密度固定(-50/+50 mmol/L)，通过Debye长度(λ_D)调控双电层(EDL)重叠效应。

Results and discussions

1. 双极构型展现二极管样整流特性：在1 V电压下，KCl离子电流达1.60 nA，比单极构型提高300%，源于电荷不对称性产生的离子耗尽区。
2. 压力-电场协同效应：30 bar压力下，双极通道盐截留率达96%（有电压）和89%（无电压），而单极构型在Pe>0.2时截留率骤降至50%以下。
3. 阳离子选择性差异：由于水合半径差异(Li⁺>Na⁺>K⁺)，KCl在双极通道中迁移率最高，电流输出比LiCl高48%。

Conclusions
该研究首次阐明双极纳米通道通过电荷梯度设计实现"离子二极管"效应，在Pe≈0.05时保持95% NaCl截留率，同时具备1.25 nA/mm²的电流密度。这种软层电荷调制策略为开发新一代低能耗(比RO节能30%)、抗污染纳米流体膜提供理论依据，尤其适用于便携式海水淡化装置。台湾团队提出的三极构型虽电流增益有限，但为纳米晶体管式膜设计开辟了新方向。