雙壁碳納米管通水阻鹽性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、反滲透是目前大規(guī)模海水淡化推廣中的主流技術(shù)。開發(fā)高效通水阻鹽性能與高機(jī)械強(qiáng)度的膜材料是目前反滲透技術(shù)中急需解決的問(wèn)題之一。隨著碳納米管的高速通水性質(zhì)以及對(duì)鹽離子有較高的截留性質(zhì)逐漸被人們所熟知，將碳納米管摻雜在反滲透膜材料中成為解決上述問(wèn)題的途徑之一。而在諸多類型的碳納米管材料中，雙壁碳納米管的性質(zhì)優(yōu)于單壁碳納米管，故本文以雙壁碳納米管作為研究對(duì)象，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)非常規(guī)雙壁碳納米管在反滲透過(guò)程中進(jìn)行研究。通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外管間距來(lái)考

2、察管間距對(duì)管道內(nèi)水分子與鹽離子運(yùn)動(dòng)特性的影響。首先，本文采用單層反滲透膜模型，以0.5 mol·L-1氯化鈉水溶液模擬海水，在鹽水一側(cè)施加靜水壓力模擬反滲透條件。其次，滲透膜的主體為公度雙壁碳納米管，其內(nèi)外壁均為扶手椅型，且內(nèi)壁手性保持為(8，8)。本文重點(diǎn)考察模擬過(guò)程中不同尺寸雙壁碳納米管的阻鹽效率與通水性能，計(jì)算管內(nèi)水分子平均力勢(shì)，并分析水分子的氫鍵與偶極矩特性。另外，我們采取了三種不同的水分子勢(shì)能模型（TIP3P、TIP4P與SP

3、C/E）來(lái)考察水模型的選取對(duì)模擬結(jié)果的影響。
　　研究結(jié)果表明，管間距不僅會(huì)影響傳輸通道內(nèi)水分子的納觀構(gòu)型（平均力勢(shì)、氫鍵與偶極矩等），還會(huì)使鹽離子與水分子在碳納米管中呈現(xiàn)滲透差異性。在通水阻鹽方面，小尺寸雙壁碳納米管可以有效實(shí)現(xiàn)鹽水分離但水通量較小，大尺寸雙壁碳納米管的通水量較高但阻鹽效率有所下降，而中尺寸雙壁碳納米管的截鹽效率可達(dá)100％，并且在凈水流量的數(shù)值上與大尺寸雙壁碳納米管相近，這說(shuō)明中尺寸雙壁碳納米管（即:管間距為0

4、.815 nm）具有優(yōu)異的通水阻鹽性能。另外，水分子模型會(huì)在一定程度上影響阻鹽率、通水量及水分子的氫鍵特性，例如:TIP3P水分子在反滲透模型中的滲透性較高，氫鍵壽命較短。然而，在不同的水模型體系中，通水阻鹽性能隨管間距的變化趨勢(shì)相近。由模擬結(jié)果可知，水分子模型對(duì)通水阻鹽性能的影響小于雙壁碳納米管幾何尺寸的影響。
　　本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，從分子層面闡述雙壁納米碳納米管的通水阻鹽機(jī)理，以期為高性能碳納米管摻雜反滲透膜的制備提