《Journal of Energy Storage》：Multiscale Investigation of Heavy Metal Ion Removal from Wastewater Using UiO-66 Membrane: A Combined MD and DFT Study
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本研究采用具有优异物理化学性质、特别是水环境中卓越机械强度和化学稳定性的原始UiO-66金属有机框架（MOF）作为膜材料，系统研究了在3-12 MPa施加压力范围内，从废水流中同时分离两种重金属阳离子（Pb2?和Cu2?）的性能。为了捕捉系统动态，使用LAMM
本研究采用具有优异物理化学性质、特别是水环境中卓越机械强度和化学稳定性的原始UiO-66金属有机框架（MOF）作为膜材料，系统研究了在3-12 MPa施加压力范围内，从废水流中同时分离两种重金属阳离子（Pb2?和Cu2?）的性能。为了捕捉系统动态，使用LAMMPS软件包执行了分子动力学（MD）模拟，包括0.5 ns的平衡阶段和6 ns的生产运行。总体而言，水通量随施加压力的增加呈上升趋势，但从7.5 MPa增加到12 MPa时，在模拟时间尺度内并未导致水通量的显著增强。这种行为可归因于膜内受限孔隙环境中强烈的水-膜相互作用以及水-水氢键，这促进了膜通道内结构化水簇的形成。使用密度分布、均方位移（MSD）和径向分布函数（RDF）计算详细分析了阳离子的传输和分离行为。这些原子尺度模拟得到了密度泛函理论（DFT）计算的进一步支持和验证，DFT计算提供了关于支配离子截留的主导相互作用机制的额外见解。结果表明，水-阳离子相互作用、膜-阳离子相互作用和施加的水力压力共同决定了系统的分离性能，在研究条件下，Pb2?和Cu2?的去除率分别为90.31-90.63%和88-97%。
水体污染已成为全球关注的重要环境问题，主要源于工业、农业和生活废水排放中的化学和生物污染物。重金属因其高毒性、非生物降解性以及在生物组织中的积累能力，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统的废水处理技术如吸附、离子交换和膜过滤存在二次污染、成本高或选择性有限等缺点。相比之下，基于膜的分离技术因操作简便、能耗低和效率高而受到青睐，但传统聚合物膜面临渗透性与选择性权衡及稳定性不足的问题。金属有机框架（MOFs），特别是具有卓越化学稳定性和机械强度的UiO-66，因其可调的孔隙结构和功能化潜力，成为解决上述问题的新型候选材料。然而，关于原始UiO-66膜在去除多种重金属离子时的微观分离机制尚缺乏深入理解。
为揭示UiO-66膜在压力驱动下去除Pb2?和Cu2?的内在机制，研究人员开展了分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算相结合的多尺度研究。模拟体系构建了一个尺寸为41 ? × 41 ? × 245 ?的模拟盒，包含两个石墨烯活塞，左侧活塞施加压力以驱动水流和离子通过UiO-66膜。研究涵盖了从3 MPa到12 MPa的压力范围，旨在评估未修饰UiO-66膜的本征分离性能。
在结果与讨论部分，研究首先分析了水通量随压力的变化。研究发现，虽然水通量总体随压力增加而增加，但在7.5 MPa至12 MPa区间内增益不明显。这一现象被解释为受限孔隙内强烈的水-膜相互作用及水-水氢键导致结构化水簇的形成，阻碍了进一步的通量提升。其次，通过密度分布、均方位移（MSD）和径向分布函数（RDF）分析离子传输行为，揭示了Pb2?和Cu2?在膜内的扩散差异。DFT计算进一步阐明了相互作用机制，表明水-阳离子、膜-阳离子相互作用及水力压力共同主导分离性能。最终，该膜对Pb2?和Cu2?的去除效率分别达到90.31-90.63%和88-97%，证明了UiO-66作为高效重金属去除膜材料的潜力。
研究结论指出，原始UiO-66膜在宽压力范围内能有效截留Pb2?和Cu2?，其分离性能受多种相互作用机制共同调控。尽管刚性膜模型忽略了膜的潜在柔性影响，但多尺度模拟提供了深刻的机理见解。未来研究应结合UiO-66框架的长期结构稳定性、膜再生循环、再生能耗及性能衰减等技术环境因素，以推动该膜技术在废水处理中的实际应用。本研究不仅评估了UiO-66的本征能力，也为先进膜材料的设计与开发提供了理论依据。该论文发表在《Journal of Energy Storage》。
主要关键技术方法概括：
研究人员利用LAMMPS软件包进行了分子动力学（MD）模拟，构建包含石墨烯活塞的模拟盒施加3-12 MPa压力，模拟水溶液中的Pb2?和Cu2?通过UiO-66膜的过程。结合密度泛函理论（DFT）计算分析相互作用机制，通过密度分布、均方位移（MSD）和径向分布函数（RDF）评估离子传输与截留性能。
研究结果：
1. 水通量分析：随着施加压力增加，水通量呈上升趋势，但在7.5 MPa至12 MPa区间内增幅显著减缓，归因于膜内结构化水簇的形成。
2. 离子传输行为：通过MSD和RDF分析发现，Pb2?和Cu2?在膜内的扩散受到空间限制和相互作用的调控。
3. 分离效率与机制：DFT计算证实，水-阳离子和膜-阳离子相互作用是主要驱动力，最终实现Pb2?（90.31-90.63%）和Cu2?（88-97%）的高去除率。
讨论与结论总结：
研究确认了UiO-66膜在无化学修饰下对重金属离子的高效截留能力，揭示了微观层面的分离机制。指出当前模型基于刚性膜假设，未来需综合考虑膜的稳定性、再生及能耗等实际工程因素，以优化膜技术在水处理中的应用。
