膜分离是一种新型、高效、精密的分离技术,它不仅具备分离、浓缩、纯化的功能,还具有节能、环保、分子级过滤以及过程简单易于控制的特点。分离膜的设计通常考虑空间位阻效应、静电相互作用和化学相互作用等因素。本论文介绍了石墨烯膜和微孔聚合物膜的分离性能,并展望了它们在海水脱盐和生物燃料脱水等液相水分离方面的潜在应用。第一章首先简述了膜分离材料的分类以及它们的优缺点和应用情况。然后简单介绍了两种膜分离技术,即反渗透(RO)和渗透汽化(PV)。最后介绍了膜分离在环境和能源方面的两个主要应用:海水淡化和乙醇脱水。第二章简单介绍了分子动力学(MD)方法,包括运动方程、力场、周期性边界条件、势能截断、传输和扩散等。第三章研究了在单层石墨烯膜上设计纳米孔用来分离乙醇和水的混合物。我们发现具有合适尺寸纳米孔的石墨烯片能选择性地让水优先透过。孔的直径和孔边缘的化学官能团是影响乙醇和水分离性能的主要因素。其中,分离性能对孔的尺寸比孔化学环境更敏感。相比于疏水性的多孔石墨烯膜,水在亲水性膜中渗透需要克服的能垒更低,流量更高。本模拟工作揭示了设计高性能石墨烯分离膜的决定因素。在第四章中,我们报道了双层波纹状石墨烯(BGR)膜用于海水脱盐的研究。模拟结果发现波纹状孔道的大小和形状决定了水的输运性质。对于中小型波纹状孔道,水分子需要旋转至特定的进入角和出口角来完成跨膜过程。拥有最优异性能的BGR-1.6膜表现出高达1 020 kg/(m2·h·bar)的水渗透性(permeance)和98.1%的脱盐率。这个水渗透性比现有商业海水RO膜高三个数量级。第五章提出了一种构建固有微孔聚合物(PIM)薄膜的方法。PIM-1膜的溶胀测试显示了 PIM-1更容易吸附乙醇,并发现乙醇/水共沸混合物和纯水中的溶胀度与实验值符合。我们研究了 PIM-1作为RO膜的水脱盐性能以及其作为PV膜的生物乙醇燃料脱水性能。MD模拟结果显示脱盐率达到了 100%时,透过PIM-1的水渗透性(permeability)达8.64×10-7 kg.m/(m2·h·bar),与单原子厚度的石墨烯和石墨炔膜相当,而PIM-1作为PV膜的性能比文献中的其余PV膜(例如聚乙烯醇)要优越。在第六章中,我们研究了具有不同官能团的PIM膜在水中的溶胀行为及其水脱盐性能。功能化PIM膜的密度、溶胀度和孔隙大小决定了 RO过程中的水通量。拥有最佳性能的PIM膜是PIM-F4,其具有1.2×10-6 kg·m/(m2·h·bar)的透水性和100%的脱盐率。因此,合适的官能团修饰能够改善PIM膜的水脱盐性能。