配体构型对Zr-MOF反渗透膜海水淡化性能影响的分子模拟研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:c1b2n3
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金属有机框架材料拥有有序的孔道结构、可控的晶态生长等特点,使其在反渗透海水淡化领域具有潜在的应用价值。锆基金属有机框架(Zr-MOF)由于配位键较多,因此在水中具有优异的稳定性。配体的改变可以影响膜的孔道尺寸和对水分子亲和性,进而影响水分子的吸附和扩散性质,利用配体优化Zr-MOF的海水淡化性能是一个极具潜力的研究方向。本文以fcu拓扑结构的Zr-MOF为研究对象,采用分子模拟方法探索了配体构型和配体功能化对Zr-MOF反渗透膜海水淡化性能的影响规律,并揭示其微观影响机制,以期获得海水淡化性能优异的Zr-MOF反渗透膜。通过探究配体结构对反渗透膜渗透性能的影响得出,双苯环结构的Zr-MOF反渗透膜具有最高的渗透率,渗透性能优异。配体中苯环数量相同的条件下,锆金属簇附近苯环数量越多,渗透性能越好,双苯环的PTP结构渗透性能最优异,渗透率可达34.50 L/cm~2day MPa。这是由于临近锆金属簇苯环能够减弱金属簇对水分子的吸附作用,从而降低了水分子传输的自由能势垒。配体结构相近的情况下,具有三键结构配体的反渗透膜渗透性能较具有双键配体结构的反渗透更优异,这是由孔径以及孔体积大小不同造成的。通过探究配体功能化对Zr-MOF反渗透膜渗透性能的影响得出,有机配体中官能团的亲疏水性影响反渗透膜的渗透性,修饰官能团亲水性越好,反渗透膜渗透性越好。修饰官能团位置将影响反渗透膜的渗透性,在临近金属簇位置修饰比临近中间三键位置修饰的反渗透膜渗透性更优异。羟基由于具有较好的亲水性,当将其修饰到临近中间三键时,配体对水分子吸附能力过强,能够带动膜外水分子进入膜内,在压力的驱使下渗透性能最为优异,渗透率可达31.59 L/cm~2day MPa。本文中所计算反渗过程是在60 MPa的高压下进行的,膜的盐离子截留率并不理想,若在压力小于10 MPa的工业压力操作条件下,这些膜的盐离子分离能力将更优异。此外,虽然盐离子截留率并未达到理想的100%,但可用于盐浓度较高的苦咸水淡化中。经过官能团修饰的PTP结构Zr-MOF反渗透膜比未做任何修饰的PTP结构反渗透膜的盐离子截留率提高了10%,达到80%以上,所以对配体进行修饰,可以有效提高Zr-MOF反渗透膜的盐离子截留率。
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