2025年8月11日，北京理工大学赵之平、徐李昊团队在Nature Communications期刊发表题为“A fundamental mass transport model based on molecular insights for pervaporation desalination”的研究论文，团队成员李申辉为论文第一作者，徐李昊、赵之平为论文共同通讯作者。           该研究通过分子动力学MD模拟揭示了聚乙烯醇（PVA）PV脱盐膜中水分子的传输机制。研究发现，随着膜内浓度梯度的降低，受限水分子的分散形式从纳米级簇转变为单分子。该工作区分了不同分散形式下受限水分子的扩散模式，并通过溶剂化自由能分析阐明了膜中离子的补偿机制。基于模拟结果，研究人员推导了受限水分子传输扩散系数与溶解度关系的解析表达式，并利用该表达式建立了计算PV脱盐渗透性的溶液-扩散模型，其计算结果与实验结果吻合。这些发现为构建PV脱盐理论框架奠定了基础。          清洁水资源短缺仍是全球缺水地区面临的主要问题之一。海水淡化技术因其大规模供水能力受到广泛关注。与传统多级闪蒸蒸馏相比，膜分离技术凭借节能高效的优势被证明是生产清洁水最有效的方法之一。常见的脱盐膜技术包括反渗透（RO）、膜蒸馏和渗透蒸发（PV）。RO是工业中成熟的脱盐技术，但仍存在膜污染和盐水进料浓度受限（3–4 wt%）等缺陷。当低成本热能可用时，基于蒸汽压驱动的膜蒸馏和PV技术可能比压力驱动的RO更具竞争力。PV脱盐技术兼具优异的脱盐率（>99.5%）和低能耗（约2 kWh/m³），且其分离效率不受膜润湿问题或盐度影响。          PV脱盐膜通过简单的致密亲水聚合物膜优先渗透水分子，从而截留盐离子。PV脱盐膜的活性层通常是通过溶剂蒸发法在多孔支撑基底上形成的薄聚合物基质（约1 μm）。PV脱盐材料需具备亲水性以实现水的优先渗透，从而促进盐溶液的浓缩。聚乙烯醇（PVA）因其优异的亲水性和机械强度成为制备PV活性层最广泛使用的聚合物材料之一。通过合适的交联剂调控PVA交联网络，可实现膜渗透通量与稳定性的最佳平衡。此外，聚醚酰亚胺、纤维素衍生物和嵌段共聚物等其他聚合物也已被探索用于PV脱盐过程。          PV膜活性层中分子传输的基础理论包括孔流（P-F）机制和广泛接受的溶液-扩散（S-D）模型。在S-D模型中，为理解分子传输过程提出了以下假设：（a）膜内存在稳定的水浓度梯度；（b）聚合物膜为非多孔致密相；（c）分子在膜内均匀分散；（d）分子运动与聚合物动力学相关；（e）分子通过间歇性跳跃从一个自由体积空穴扩散至另一个空穴。由于实际分离过程中渗透物与膜间存在复杂相互作用，S-D模型还通过引入经验参数进行修正。例如，Brun等人提出了基于渗透物浓度的“六系数模型”来预测扩散系数。          目前PV技术主要用于溶剂脱水、从水溶液中回收挥发性有机化合物（VOCs）以及盐水溶液脱盐。溶剂脱水和VOCs回收过程中膜内的分子传输行为与S-D模型的假设一致。正电子湮没寿命光谱研究结果证实了致密聚合物膜中存在亚纳米级孔隙，这些孔隙难以通过现有电子显微镜观测。溶胀实验表明膜会因溶剂发生轻微溶胀。此外，研究人员前期的分子动力学MD模拟表明，这些亚纳米级孔隙的尺寸和数量受溶解分子的影响较小。基于S-D模型的方程也能较好地预测轻微溶胀膜的行为。例如，Mutto等人通过修正S-D模型模拟了渗透物浓度与温度的关系，从而推导出具有最小耦合的三元进料比例。          然而，在高溶胀PV脱盐膜中，水分子易耦合形成大尺寸簇，这种分散形式从根本上影响了PV膜的分离性能。一个明显的现象是PV脱盐的膜通量（如313 K下10.0–100.0 kg/(m²·h)）远高于其他关于脱水和VOCs回收的报道（如313 K下0.5–2.0 kg/(m²·h)）。此外，由于扩散系数与受限水浓度的关系难以通过实验测量，S-D模型在评估PV脱盐分离性能时面临挑战。值得注意的是，近期实验和模拟研究揭示高溶胀RO膜中的水传输并不遵循S-D模型，这提示典型的S-D模型可能不完全适用于高溶胀PV脱盐膜。对分子传输机制的认知不足已成为发展PV脱盐传输模型的瓶颈。          该研究提出了一种建模方法，利用四种不同交联剂构建交联PVA原子模型。基于这些模型，通过平衡MD模拟系统研究了干燥和溶胀PVA膜的结构特性。同时采用非平衡MD（NEMD）模拟研究了水分子和离子通过膜的传输机制。结合溶剂化自由能计算，阐明了离子跨膜传输的补偿机制。该研究还通过数学验证表明渗透通量仍遵循Arrhenius方程与进料温度相关。更重要的是，该工作提出了"近平衡离散"方法，以消除模拟（约1 ns，约1 nm）与实验（约1 s，约1 μm）在时间和空间尺度上的鸿沟。利用该方法，从模拟结果回归得到了描述传输扩散系数与溶解度关系的解析表达式。基于该表达式建立了修正的S-D模型，其计算的膜渗透性与实验值接近。