随着世界范围内人口的增长和人民生活水平的提高,人类工业和农业的活动范围随之扩大,世界各地对优质饮用水的需求不断增加。无论是当下还是未来,水资源短缺始终是人类亟需面对的问题。在满足人类对优质水的需求的同时,还要面对日益加重的水源污染,因此水处理厂的工艺与形式都应当不断完善来应对诸多技术挑战,例如开发可持续的海水淡化工艺,提高水的再利用效率,废水的高效处理同时实现资源回收等。纳滤膜技术可以在压力驱动下,有效分离水中的各种离子,如Mg2+、Ca2+和SO42-等,被视为是最有潜力的水处理技术之一。本研究旨在制备系列纳滤膜,通过优化纳滤膜的性能和结构,使之能够使地下水中的无机离子浓度满足世界卫生组织的标准。通过开展系列实验和建立新模型来研究上述制备的纳滤膜对地下水（特别是从井和钻孔中提取的地下水）中Cl-、Na+、SO42-和Mg2+等离子的截留效果。本研究的目标与中国政府关于海水及海水淡化的五年计划（2021-2025年）相吻合。分别以纳米粒子的单一沉积法和共沉积法制备了9种无机-有机的复合纳滤膜,进而对这些复合纳滤膜进行了理化特性表征和截流水中无机离子效能研究。以聚丙烯腈（PAN）超滤膜为基底,选用二氧化钛（Ti O2）和二氧化锆（Zr O2）纳米粒子在超滤膜表面原位沉积。在盐酸多巴胺和三（羟甲基）氨基甲烷、或者盐酸多巴胺和碳酸氢盐的共同作用下,将钛（Ti）、锆（Zr）氧化物及其复合纳米粒子沉积在PAN超滤膜表面,形成无缺陷、疏松且坚固的纳米粒子涂层,在严格控制纳米粒子负载量的情况下,得到一系列新型纳滤膜。经钛/锆氧化物复合纳米粒子涂层改性的膜材料,表现出对多价态离子的截留能力,并具备较高的膜通量。采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、能量色散光谱（EDS）、原子力显微镜（AFM）和傅里叶变换衰减全反射红外光谱（FTIR-ATR）对改性纳滤膜进行了全面的表征。此外,测量不同条件制备的改性纳滤膜的表面电荷特性和动态水接触角,并将测量结果作为后续模型研究中算法的输入数据。采用盐酸多巴胺和三（羟甲基）氨基甲烷作为交联剂,制备了三种新型薄层复合纳滤膜,并根据其改性涂层的纳米粒子种类不同,分为钛氧化物薄层复合膜（PAN-DT-Ti）、锆氧化物薄层复合膜（PAN-DT-Zr）和钛/锆氧化物薄层复合膜（PAN-DT-Ti Zr）。对复合膜的制备条件进行优化,在优化后的条件下(30℃,45 mmol L-1盐酸多巴胺处理12h)制备的复合膜表现出了较高的截留率和渗透性能。这三种膜在120 h的连续流实验中均表现出了长期的耐久性,其中PAN-DT-Ti Zr膜对二价离子的截留率最高（89%～95%）,对不同种盐的去除率依次为Ca Cl2>Mg SO4>Mg Cl2>Na Cl>Na2SO4,膜通量不低于55 L m-2 h-1。为了更好地理解二氧化钛和二氧化锆纳米粒子共沉积对制备纳滤膜的影响,严格控制钛/锆氧化物的不同比例,为了深入了解二氧化钛和二氧化锆纳米粒子共沉积对制备纳滤膜的影响,在严格的质量比控制下,在超滤PAN膜上共沉积了二氧化钛和二氧化锆制备了三种双层钛/锆氧化物选择性复合纳滤膜,PAN-DT-Ti Zr21、PAN-DT-Ti Zr11和PAN-DT-Ti Zr12。通过扫描电子显微镜（SEM）结合EDS探究钛/锆氧化物纳米粒子在膜表面的排列和电位功能,结果表明,二氧化钛（Ti O2）和二氧化锆（Zr O2）共同沉积在了PAN超滤膜上,形成无机薄层。三种新型的无机-有机薄层复合纳滤膜中,PAN-DT-Ti Zr11对一价和二价离子具有优异的截留性能,其中对二价离子的截留率达到95%以上,对各种盐的截留能力依次为Ca Cl2>Mg SO4>Mg Cl2>Na Cl>Na2SO4。PAN-DT-Ti Zr11复合纳滤膜的膜通量高达58L m-2 h-1,在180 h的连续流实验中,膜通量依然保持稳定,降幅仅为1.2%,截留率仍高达92.5%。采用盐酸多巴胺和碳酸氢盐缓冲液作为交联剂,制备了另外三种经钛、锆氧化物纳米粒子修饰的复合膜（PAN-DC-Ti1,PAN-DC-Ti2,PAN-DC-Zr）,进行后续的材料表征、性能测试和数学建模。采用GUEROUT-ELFORD-FERRY过滤速度法估算出PAN-DC-Ti2膜的平均膜孔径为0.538 nm,为期6天的连续流实验结果表明,该膜在长期连续流运行下性能保持稳定,对Mg Cl2的截留率保持在89.3%左右,膜通量约为56 L m-2 h-1。详细的研究了目前常用的道南-立体细孔模型（Donnan-Steric Pore Model,DSPM）。首先明确了该模型的来源和在NF发展过程中扮演的作用,然后通过对该模型进行比以往更为严格的数学推导明确DSPM模型的适用范围和局限。对DSPM模型的潜能和局限的阐明可帮助研究者们开发新的模型更好地理解NF膜活性层中介质传输过程所涉及的现象。通过将介质排斥,溶剂在孔内的粘度,化学势的影响因素考虑在内,本研究对DSPM模型进行了有效应用,这一考虑三种影响因素的应用在不增加计算复杂性的基础上保证了该模型实际预测的可行性。本研究进一步对DSPM的预测结果与实验数据进行了比较,发现预测结果与实验结果相差甚远。尽管对NF膜性能进行较精准预测的DSPM模型已引起科学界极大地兴趣也受到了广泛的关注,该模型在对本研究中的膜性能描述时仍有很大的局限性。因此,本文详细阐明了DSPM模型的缺陷和开发新模型描述预测NF过程的必要性。使用了一个全新的soft计算模型简化了复杂和隐式的、可用来控制离子通过纳滤膜传输的斯特-普朗克（Nernst–Planck,N-P）扩展方程。采用小步长欧拉数值法（Euler’s numerical method）得到了非常有趣的结果。这种数值方法被用来近似解传统方法无法解的微分方程,比如可以用来解精确的、可分离的、甚至线性的微分方程。在选好初始猜测（给定初始值）和选定许多增量的情况下,欧拉数值法可以得到非常快和准确的结果。欧拉数值法是建立更复杂计算方法的基础,因此是一种预测-校正方法。这种方法虽然简单,但也逐渐在该项研究中展示了其良好的适用性。本文用一种可访问的编程语言来编写算法,用于实时跟踪溶质离子在纳滤膜活性层中不同位置的传质。采用本文建立的算法模型对Cl-、Na+、SO42-和Mg2+的截留率进行预测,相对误差分别为0.33%、0.47%、0.16%和0.09%（RE<<0.1）。为了得到更精确的预测结果,首次应用了龙格-昆塔法（Runge-Kutta method,R-K）和理查森外推法（Richardson extrapolation）组成的运算模型来求解N-P扩展方程,用以深入理解并预测溶质离子在NF-PAN-Zr膜活性层中的传质。选用四阶R-K（RK-4）作为一个步长循环,用于适应这个简单又稳健的算法。Richardson extrapolation被用来得到更为准确的Cl-、Na+、SO42-和Mg2+截留结果。采用该模型预测NF-PAN-Zr对Cl-、Na+、SO42-和Mg2+的截留率,预测结果与实验结果高度一致,相对误差分别为0.06%、0.03%、0.04%和0.02%,该模型的预测结果与实验结果几乎完全吻合。然后通过统计学的误差分析来验证实验结果与模型预测结果的一致性,同时利用新型有机-无机膜的概率密度函数曲线从物理角度更好地理解纳滤膜的一些典型特征参数。与NF膜一样,PAN-DC-Zr膜对多价离子表现出良好的截留性能。基于龙格-库塔算法的离子截留预测模型可对PAN-DC-Zr膜的截留效能进行有效评估。此外,PAN-DC-Zr膜在长期实验中的稳定性可确保其长时间使用,即使PAN-DC-Zr膜需定期承受气流轰击的膜清洗过程。模型是根据预先定义的输入参数建立和校准的,在实验中不易受化学药剂变化的影响。现有模型的进一步验证和更完善的NF模型的开发需要更好的NF膜表征、完美的化学截留重估、以及对补充可用实验数据的多元视角。综上所述,本研究采用钛/锆氧化物纳米粒子共沉积的方法制备了一种具有高离子截留率和高纯水通量的有机-无机双层结构复合改性聚丙烯腈纳滤膜,并通过不同表征方法解释了其作用机理。在此基础上,建立了用欧拉数值法预测溶质颗粒在纳滤膜中传质和截留的新方法,并编制了实时反映溶质颗粒在纳滤膜活性层中的位置的计算机程序。最后,将四阶龙格-库塔数值方法和理查森外推方法相结合,扩展了能斯特-普朗克方程,评价了纳滤膜的离子截流性能,发现了其能更精确地评估和预测纳滤过程中的离子截留率。因此,本论文开创了发展新模型用于纳滤过程中离子截留率再评价的先河,可为设计下一代NFMs提供有用的视角。作为实用的预测工具,欧拉和龙格-库塔数值方法有望帮助选择和校准下一代NF膜的合成过程,同时等待迎接机器学习的兴起和发展。除了物理模型之外,机器学习在预测NF膜截留性能方面也是一个值得进一步探索的领域。