衆所周知，強氫鍵需要液態水具有一些引人注目的物理特性，包括在納米約束下的快速擴散。與生物通道相似，在納米管和層狀結構中觀察到相互連接的水分子的單行或集體運動，爲節能分離應用顯示出巨大潛力。膜能夠實現水的選擇性輸送，從而解決了脫鹽，破壞共沸物和除溼的問題，同時人們對各個微孔材料的製造和形態特徵給予了最大的關注。但是，膜工藝的性能還取決於要處理的化學系統的特性，在現實條件下（例如濃度極化）經常會遇到問題。在這項研究中，採用吸附控制的滲透來研究納米結構膜中水-醇混合物的界面行爲與濃度的關係。隨着異丙醇分子摩爾分數的增加，水的滲透速率會下降，這表明單文件機制的破裂。設計了一種現象學模型來解釋二元液-液混合物中的分子間相互作用，而動力學模擬與實驗數據吻合良好。結果表明用於有機溶劑脫水的水選擇性導管的基本侷限性。隨着異丙醇分子摩爾分數的增加，水的滲透速率會下降，這表明單文件機制的破裂。設計了一種現象學模型來解釋二元液-液混合物中的分子間相互作用，而動力學模擬與實驗數據吻合良好。結果表明用於有機溶劑脫水的水選擇性導管的基本侷限性。隨着異丙醇分子摩爾分數的增加，水的滲透速率會下降，這表明單文件機制的破裂。設計了一種現象學模型來解釋二元液-液混合物中的分子間相互作用，而動力學模擬與實驗數據吻合良好。結果表明用於有機溶劑脫水的水選擇性導管的基本侷限性。
水可以與多種極性有機溶劑完全混溶，並且膜分離被認爲有利於其回收和純化，與普通的分餾不同，蒸氣滲透和滲透過程會破壞共沸物，這在生物燃料生產中也很重要。有機物的脫水是工業上最需要的全蒸發技術，而熱穩定膜材料的設計仍然是巨大科學努力的主題。能夠單次輸水的多孔結構爲製造高通量的膜提供了機會，以去除液體中的水。但是，無水化合物的生產意味着可以選擇性提取低至殘留物ppm級的水，而在這種情況下，傳質不一定與水溶液相同，如上面GO膜所示。實際上，已知二元水-乙醇混合物的體積特性會隨摩爾組成而變化，並且據預測，在較高的酒精濃度下，氫鍵網絡的結構也會有所不同。正如分子動力學模擬所揭示的那樣，3D水會轉變爲非滲透相，從而改變動力學行爲。在這項工作中，我們解決了與有機溶劑混合後微孔膜中水滲透的根本問題。爲此，應用吸附控制滲透（ACP）來實驗研究濃度對具有高亞納米通道密度的原型碳納米膜（CNM）中水傳輸的影響。引入重水和異丙醇的蒸汽混合物作爲代表性模型系統，可以根據摩爾分數測量滲透率。用單分子機理對通過親水性CNM獲得的動力學數據進行了合理化，並證實了氫鍵網絡的破壞。
新穎的ACP方法論已經成爲一種探測功能界面分子擴散的通用工具。它包括跨越下明確定義的進料的環境中配備埃規模開口平面測量的納米材料的滲透速率。由於內部體積小，跨膜通道受入口動力學控制，並且很大程度上取決於對錶面過程具有高靈敏度的吸附物質的數量。圖 1a示意性地說明了ACP測量的原理，而完整的實驗系統則在其他地方進行了詳細介紹。納米膜以獨立狀態放置在高真空質譜檢測器和上游隔室之間，該上游隔室適合於製備可變組成的氣態和氣態混合物。在等溫條件下，吸附物的覆蓋率由平衡常數決定，因此在ACP實驗中可獲得穩態傳輸速率。通常，在混合幾種物質時冷凝相的組成不同於氣相中的組成並且服從熱力學關係。由於非理想系統的氣液平衡（VLE）圖通常非常複雜，因此當混合物組成在整個進料室中保持恆定時，在共沸點會達到最有利的情況。
成分的各個校準信號來量化跨膜通量。[ 20 ]
最近，我們提出了一種方便的模型系統，用於研究膜在破壞水性共沸物中的性能。[ 19 ]正如H 2 O-PA VLE 所預期的那樣，在室溫下，60 mol％D 2 O和40 mol％1-丙醇（PA）的混合物被證明是正共沸物。[ 21 ]暴露於進料混合物後，發現CNM能夠像單獨的水蒸氣一樣快地通過水分子，表明單流流動不受阻礙。以前，獨立式CNM已被證明具有固有的多孔結構，能夠使液化水集體滲透。[ 22 ]在這項工作中，藉助另一種室溫共沸物，使用CNM來研究濃度對水傳輸的影響。與異丙醇（IPA）混合的水的VLE數據表明，與PA-水系統相比，共沸點傾向於向稀釋度更低的醇溶液中轉移。[ 23 ]與早期研究相似，出於準確性原因，我們使用了重水，並製備了32 mol％D 2 O和68 mol％IPA 的混合物。當給CNM提供這種成分的蒸氣時，相對於純D 2 O和PA-水共沸物，水的通量大大降低（圖 2）。）。值得注意的是，觀察到的效果不能歸因於驅動力的降低，因爲混合物中水的分壓約爲17 mbar，即僅比D 2的飽和壓力低30％O.數據反而表明，混合物中更多的醇會抑制水分子的跨膜擴散，這證實了與濃度有關的結構重組的理論預測。實際上，從化學觀點來看，異構的PA和IPA分子可能是相同的，而其摩爾分數從40％增加到68％意味着混合物中水與醇的比例發生了巨大變化。從PA共沸物的3：2到IPA系統中的大約1：2的變化表明，主要物種之間存在根本差異：“酒精水溶液”與“酒精水溶液”。
ACP方法學用於研究與丙醇混合後模型微孔膜中水分子的運輸。在室溫下，發現流量隨着醇的摩爾分數從0.4增加到0.8下降了幾個數量級。研究結果表明，由於氫鍵網絡結構的變化，單流流動受到了破壞。提出了現象學模型來解釋分子間的重排，動力學模擬與實驗數據非常吻合。我們的研究證實了先前的理論預測，並揭示了溶液中的水越少，滲透速度就越慢。該觀察結果可能對分離水-有機混合物中的膜工藝工程產生影響。從而，所獲得的結果預見了將納米結構材料應用於溶劑脫水的挑戰。另一方面，水選擇性膜可以有效地用於濃縮生物醇，儘管在升級的最後階段酒精選擇性膜可能更實用。