电膜萃取数值模拟优化药物回收效率：基于Poisson-Nernst-Planck耦合方程的机理研究

本研究针对电膜萃取(EME)过程中电动力学与传质耦合机制不明确的问题，通过建立基于Poisson-Nernst-Planck方程的有限元模型，系统考察电压(5-30V)、pH(2-7)、膜厚(200-500μm)等参数对药物提取的影响，实现回收率从46%提升至97.6%，为制药分离和环保药物回收提供优化策略。

　　

在制药工业和环境监测领域，高效分离技术始终是核心挑战。传统样品预处理方法如液液萃取(LLE)和固相萃取(SPE)存在有机溶剂消耗大、耗时长等缺陷，而新兴的电膜萃取(Electromembrane Extraction, EME)技术虽然展现出快速、环保的优势，但其电动力学与传质耦合机制尚未完全阐明。Fatemeh Mansouri和Ahmad Rahbar-kelishami团队在《Results in Engineering》发表的研究，通过建立创新的数值模型，揭开了这一"黑箱"机制。

研究团队采用COMSOL Multiphysics软件构建有限元模型，求解耦合的Poisson-Nernst-Planck方程。模型包含二维轴对称几何结构，划分83,000个网格单元确保计算精度，并设置不同分区系数(P_i)反映液膜(SLM)与溶液的界面特性。通过调节电压(5-40V)、温度(293-313K)、pH(2-7)等参数，系统模拟了碱性药物在EME中的传输行为。

电压调控机制

研究发现电压与回收率呈非线性关系：当电压从5V提升至30V时，甲硫氨酸回收率从46%跃升至近100%，但超过35V会因电解副反应导致效率下降。这种"过犹不及"现象揭示了实际操作中的电压窗口限制。

温度双刃剑效应

40°C条件下系统5分钟即达稳态，而室温(25°C)需15分钟。温度升高虽加速扩散(符合Stokes-Einstein关系)，但超过313.15K会导致SLM中有机溶剂(如1-辛醇)降解，表明最佳操作温度应控制在293-313K区间。

pH敏感特性

在pH=2的酸性条件下，药物电离度最高，甲硫氨酸回收率达97.6%。研究首次量化了pH变化对药物电荷状态的影响(见图2)，证实酸性环境(pH<3)最有利于阳离子型药物提取。

膜结构优化

模拟显示200μm薄膜比500μm厚膜效率提升40%，这是因为电场强度与膜厚成反比(见公式1)。但过薄(<100μm)会导致有机溶剂稳定性问题，建议商业化采用200-300μm的聚丙烯中空纤维膜。

扩散系数阈值

当药物扩散系数低于1×10^-11 m²/s时，回收率急剧下降。研究提出有效扩散系数D_m,i=ωD_f,i的计算公式(公式3)，其中ω=ε?/τ反映膜孔隙率与曲折度的比值，为膜材料选择提供理论依据。

这项研究通过多参数耦合分析，建立了首个能同时预测电场分布和药物传输的EME模型。其创新性体现在：采用真实分配条件替代简化假设，首次量化了电压-回收率的非线性关系，并发现pH=2时存在最佳提取窗口。相比传统试错法实验，该模型可节省90%的优化成本，对制药废水处理(如回收抗生素)和血样药物检测具有重要指导价值。

未来研究可拓展至多组分体系，并纳入电渗流效应。当前模型已为工业级药物纯化装置设计奠定基础，推动绿色制药技术发展。正如作者指出："这些发现不仅增进基础认知，更能支持设计更可持续、高效的药物分离工艺"——这正是工程学研究的终极价值所在。