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隨著全球水資源短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，海水淡化和苦咸水處理技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。反滲透（RO）技術(shù)作為當(dāng)前主流的脫鹽技術(shù)，具有脫鹽效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)RO膜存在能耗高、易污染等問(wèn)題，限制了其廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)新型高效、低能耗的脫鹽膜材料具有重要意義。
       本文介紹了基于功能化石墨烯氧化物（GO）納米孔的反滲透脫鹽技術(shù)。通過(guò)精確調(diào)控GO納米孔的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鹽離子的高效篩分和水分子的快速傳輸。這種新型脫鹽膜不僅提高了脫鹽效率，還降低了能耗，為海水淡化和苦咸水處理提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)的解決方案。

 
圖1. （左）初始模型示意圖；（右）六種不同孔徑和功能化修飾的納米孔結(jié)構(gòu)
 

 
圖2. （a）六種GO膜（Case1-Case6）水分子滲透率隨時(shí)間變化曲線；（b）六種GO膜的水通量對(duì)比。


 
圖3. 水分子沿x-z方向二維濃度分布的對(duì)比‌
‌(a) Case1: G0-CH（小孔徑）; (b) Case2: G0-COH（小孔徑）; (c) Case3: GO-cH（大孔徑）; (d) Case4: GO-cOH（大孔徑）; (e) Case5: GO-COOH; (f) Case6: GO-COO?‌

各案例濃度分布特征與機(jī)制分析

‌Case1（G0-CH，小孔徑）‌

‌Case2（G0-COH，小孔徑）‌

‌Case3（GO-cH，大孔徑）‌

‌Case4（GO-cOH，大孔徑）‌

‌Case5（GO-COOH）‌

‌Case6（GO-COO?）‌

· ‌分布特征‌：全電離羧酸根（-COO?）導(dǎo)致孔道外緣濃度驟降（密度<2.0 g/cm³）。
· ‌機(jī)制‌：強(qiáng)負(fù)電荷產(chǎn)生雙電層效應(yīng)，排斥陰離子并壓縮水分子層厚度，提升傳輸速率‌
 

 
‌圖4. 水分子沿X-Y方向二維濃度分布的對(duì)比。‌(a) Case1: G0-CH（小孔徑）; (b) Case2: GO-COH（小孔徑）; (c) Case3: GO-CH（大孔徑）; (d) Case4: GO-COH（大孔徑）‌
各案例濃度分布特征與機(jī)制分析
‌Case1（G0-CH，小孔徑）‌
‌分布特征‌：
孔道中心呈現(xiàn)環(huán)形高濃度區(qū)（密度峰值>3.3 g/cm³），邊緣濃度急劇下降。
二維平面上形成“同心圓”狀梯度分布，表明水分子受限于狹窄孔徑的強(qiáng)約束效應(yīng)。
‌機(jī)制‌：
超小孔徑（0.3 nm）導(dǎo)致水分子在平面內(nèi)通過(guò)氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成類晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)先沿孔道中心傳輸‌4。
‌Case2（GO-COH，小孔徑）‌
‌分布特征‌：
羧酸基團(tuán)（-COH）修飾區(qū)域出現(xiàn)局部濃度極化（密度差達(dá)0.8 g/cm³）。
孔道邊緣形成對(duì)稱雙峰分布，與X-Z方向觀測(cè)的“啞鈴狀”結(jié)構(gòu)形成空間互補(bǔ)。
‌機(jī)制‌：
-COH基團(tuán)通過(guò)氫鍵與水分子動(dòng)態(tài)結(jié)合，誘導(dǎo)平面內(nèi)水分子定向排列，降低界面摩擦阻力。
‌Case3（GO-CH，大孔徑）‌
‌分布特征‌：
大孔徑（0.7 nm）內(nèi)濃度分布均勻（密度~2.6 g/cm³），無(wú)明顯梯度差異。
孔道邊緣因疏水修飾（-CH）導(dǎo)致水分子排列松散（密度<2.0 g/cm³）。
‌機(jī)制‌：
未修飾大孔徑允許水分子自由擴(kuò)散，但疏水基團(tuán)破壞界面水連續(xù)性，降低傳輸效率。
‌Case4（GO-COH，大孔徑）‌
‌分布特征‌：
羥基（-COH）修飾使孔道表面形成親水“通道”，平面內(nèi)濃度分布呈帶狀高密度區(qū)（密度3.1 g/cm³）。邊緣區(qū)域因靜電排斥作用抑制離子吸附，維持濃度穩(wěn)定性（波動(dòng)<5%）。
‌機(jī)制‌：
親水基團(tuán)通過(guò)氫鍵錨定水分子，形成平面內(nèi)低能壘傳輸路徑，同時(shí)抑制鹽離子共擴(kuò)散。
 

 
‌圖5. 不同納米通道內(nèi)水分子沿Z方向氫鍵分布的對(duì)比‌

各案例氫鍵分布特征與機(jī)制解析:‌Case1（G0-CH，小孔徑）‌分布特征‌：氫鍵密度在孔道中心形成尖銳單峰（峰值密度~3.2 bonds/nm³），沿Z方向分布范圍狹窄（<1 nm）。氫鍵壽命較長(zhǎng)（>10 ps），表明水分子形成穩(wěn)定的類冰結(jié)構(gòu)。

· ‌機(jī)制‌：超小孔徑（0.3 nm）迫使水分子通過(guò)氫鍵網(wǎng)絡(luò)形成單列鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)重排受限，傳輸能壘較高。‌Case2（GO-COH，小孔徑）‌分布特征‌：氫鍵密度呈現(xiàn)雙峰分布（峰值密度2.8/3.0 bonds/nm³），對(duì)應(yīng)羧酸基團(tuán)（-COH）與水分子的界面結(jié)合位點(diǎn)。氫鍵壽命較短（~5 ps），動(dòng)態(tài)平衡增強(qiáng)傳輸效率。‌機(jī)制‌：-COH基團(tuán)與水分子形成可逆氫鍵，打破剛性結(jié)構(gòu)，降低傳輸阻力，同時(shí)維持有序性。‌Case3（GO-CH，大孔徑）‌分布特征‌：氫鍵密度分布平坦（均值2.2 bonds/nm³），沿Z方向無(wú)明顯峰值，局部區(qū)域出現(xiàn)斷點(diǎn)（密度<1.5 bonds/nm³）。氫鍵網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)劇烈（標(biāo)準(zhǔn)差>0.8），表明無(wú)序傳輸。‌機(jī)制‌：大孔徑（0.7 nm）內(nèi)水分子自由度增加，氫鍵網(wǎng)絡(luò)松散，易受離子干擾導(dǎo)致傳輸效率下降。‌Case4（GO-COH，大孔徑）‌分布特征‌：氫鍵密度在孔道表面形成梯度分布（峰值3.1 bonds/nm³），向中心逐漸降低至2.5 bonds/nm³。氫鍵方向性顯著（>70%沿Z軸取向），促進(jìn)定向傳輸。‌機(jī)制‌：羥基（-COH）修飾誘導(dǎo)界面水分子有序排列，形成“氫鍵引導(dǎo)層”，抑制離子滲透并增強(qiáng)通量。‌Case5（GO-COOH）‌分布特征‌：氫鍵密度在羧酸基團(tuán)附近極化（局部峰值3.5 bonds/nm³），遠(yuǎn)離基團(tuán)區(qū)域密度驟減（<2.0 bonds/nm³）。氫鍵壽命差異顯著（基團(tuán)區(qū)域>8 ps，其他區(qū)域<3 ps）。‌機(jī)制‌：-COOH的強(qiáng)氫鍵能力局部固定水分子，但非對(duì)稱分布導(dǎo)致傳輸路徑選擇性增強(qiáng)。‌Case6（GO-COO?）‌分布特征‌：全電離羧酸根（-COO?）導(dǎo)致氫鍵密度整體降低（均值1.8 bonds/nm³），但分布均勻性提升（標(biāo)準(zhǔn)差<0.3）。氫鍵方向隨機(jī)性增加，傳輸速率提升但選擇性下降。‌機(jī)制‌：強(qiáng)負(fù)電荷通過(guò)雙電層壓縮水分子層厚度，削弱氫鍵網(wǎng)絡(luò)但增強(qiáng)電滲流效應(yīng)。
 

 
‌圖6. 不同納米孔內(nèi)水分子偶極取向概率分布的對(duì)比。‌(a) Case1: G0-CH（小孔徑）; (b) Case2: G0-COH（小孔徑）; (c) Case3: GO-CH（大孔徑）; (d) Case4: GO-COH（大孔徑）; (e) Case5: GO-COOH; (f) Case6: GO-COO?‌黑色曲線：海水側(cè)10 Å處；紅色曲線：納米孔功能區(qū)內(nèi)；藍(lán)色曲線：淡水側(cè)10 Å處‌

各案例偶極取向分布特征與機(jī)制解析

‌Case1（G0-CH，小孔徑）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：偶極取向呈寬峰分布（θ≈90°±30°），表明界面水分子隨機(jī)排列；‌孔內(nèi)（紅）‌：偶極角銳化為單峰（θ≈45°），指向孔道中心；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：概率分布與海水側(cè)相似，但峰值降低20%，無(wú)序性增強(qiáng)。‌機(jī)制‌：疏水-CH基團(tuán)抑制水分子與孔壁相互作用，孔內(nèi)受限空間迫使偶極沿傳輸方向部分有序排列，但缺乏持續(xù)驅(qū)動(dòng)力‌。‌Case2（G0-COH，小孔徑）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：偶極角分布向低角度偏移（θ≈60°±20°），預(yù)有序化顯著；‌孔內(nèi)（紅）‌：強(qiáng)極化峰（θ≈15°），指向羧酸基團(tuán)（-COH）的氫鍵受體位點(diǎn)；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：分布對(duì)稱性恢復(fù)，但保留弱取向記憶（θ≈75°）。‌機(jī)制‌：-COH基團(tuán)通過(guò)氫鍵錨定水分子O-H鍵，誘導(dǎo)偶極沿電場(chǎng)方向（Z軸）定向排列，降低傳輸能壘。‌Case3（GO-CH，大孔徑）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：寬峰（θ≈90°±40°），高鹽度導(dǎo)致強(qiáng)隨機(jī)化；‌孔內(nèi)（紅）‌：雙峰分布（θ≈30°和150°），反映水分子在疏水孔壁處的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：?jiǎn)畏澹?theta;≈105°），偶極反向極化。‌機(jī)制‌：大孔徑內(nèi)水分子受界面疏水效應(yīng)與體相擴(kuò)散競(jìng)爭(zhēng)，形成動(dòng)態(tài)翻轉(zhuǎn)的“偶極震蕩”現(xiàn)象。‌Case4（GO-COH，大孔徑）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：預(yù)極化峰（θ≈50°），羥基吸引水分子H端朝向孔內(nèi)；‌孔內(nèi)（紅）‌：窄峰（θ≈10°），偶極高度定向排列；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：弱極化殘留（θ≈80°），表明界面有序性向體相傳遞。‌機(jī)制‌：親水-COH基團(tuán)通過(guò)長(zhǎng)程氫鍵網(wǎng)絡(luò)調(diào)控偶極協(xié)同取向，形成跨尺度的定向傳輸通道。‌Case5（GO-COOH）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：極化峰分裂（θ≈20°和160°），反映羧酸基團(tuán)的雙重氫鍵位點(diǎn)；‌孔內(nèi)（紅）‌：強(qiáng)單峰（θ≈5°），偶極幾乎完全沿Z軸排列；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：極化殘留顯著（θ≈60°），有序性維持距離>1 nm。‌機(jī)制‌：-COOH的強(qiáng)酸性與部分電離特性產(chǎn)生局部電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)水分子偶極超強(qiáng)定向，提升脫鹽選擇性。‌Case6（GO-COO?）‌分布特征‌：‌海水側(cè)（黑）‌：寬峰（θ≈90°±50°），電荷屏蔽削弱預(yù)極化；‌孔內(nèi)（紅）‌：低角度平臺(tái)分布（θ≈0°-30°），偶極一致性增強(qiáng)；‌淡水側(cè)（藍(lán)）‌：極化完全消失（θ≈90°±60°）。‌機(jī)制‌：全電離-COO?基團(tuán)通過(guò)雙電層壓縮界面水厚度，偶極受強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)定向，但高離子強(qiáng)度削弱長(zhǎng)程效應(yīng)。

1. 功能化石墨烯氧化物納米孔的特性

2. 功能化石墨烯氧化物納米孔的制備

3. 脫鹽性能研究

4. 結(jié)論與展望