【摘 要】
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海水淡化技术是缓解淡水资源短缺最有效的方法之一,其中最突出的就是海水淡化的反渗透技术。利用反渗透膜的选择性,允许水分子通过的同时阻隔盐离子,从而达到水盐分离的效果。传统的反渗透膜材料稳定性差,水通量低且制作成本高。随着纳米技术的发展,纳米材料因其优异的机械强度和化学稳定性有望成为高效海水淡化膜的替代材料。为此,本文采用分子动力学模拟手段,从分子层面对比研究了由金刚石结构构建的纳米通道和传统石墨烯堆
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海水淡化技术是缓解淡水资源短缺最有效的方法之一,其中最突出的就是海水淡化的反渗透技术。利用反渗透膜的选择性,允许水分子通过的同时阻隔盐离子,从而达到水盐分离的效果。传统的反渗透膜材料稳定性差,水通量低且制作成本高。随着纳米技术的发展,纳米材料因其优异的机械强度和化学稳定性有望成为高效海水淡化膜的替代材料。为此,本文采用分子动力学模拟手段,从分子层面对比研究了由金刚石结构构建的纳米通道和传统石墨烯堆叠的纳米通道中氯化钠溶液的传输特性,详细探究了通道尺寸、温度、溶液浓度以及甲基基团等因素对于水分子和盐离子传输行为的影响。主要研究结论如下:(1)相对于石墨烯通道,在渗透性方面,金刚石通道在保证了88%的离子截留率的基础上,水通量提升了84%,证明了金刚石通道具有更强的水分子渗透能力。对于溶液在纳米通道中的运动行为,可以分为三个状态:扩散状态、过渡状态和流动状态。根据其运动特征定义了一个转变压强的概念作为水分子从扩散状态转变为流动状态的界限。(2)对于金刚石通道,除了通道长度之外,通道高度、温度和溶液浓度等都对溶液在金刚石通道中的传输特性有着不同的影响。通道高度的增加会提高金刚石通道的水渗透性,但是离子截留能力会近似线性下降。溶液在金刚石通道的运动可以视为液泡形成到破裂的过程。随着通道高度逐渐增大,水分子突破液泡表面薄膜所需的系统压强也逐渐降低,即转变压强逐渐降低。温度的增加会增大水通量而对离子截留率影响不大,并且高温环境下水层之间的分子交换贯穿整个模拟过程。体系的转变压强与温度成反比。溶液浓度的升高对通道的水渗透性没有影响,但是会降低其离子截留能力,同时转变压强逐渐升高。(3)甲基修饰后的金刚石通道的水渗透性能明显降低,转变压强增大,但是对离子截留率并没有明显的影响趋势。且通道内壁甲基含量越大,水渗透性越差,转变压强越高。此外,当甲基进行人为的特殊分布时,除了离子截留率不受影响,甲基沿水流方向分布的通道水渗透性更强,转变压强则略低;而甲基垂直水流方向分布的通道的水渗透性较弱,其转变压强较高。本文的研究为金刚石纳米通道在海水淡化方面的应用提供了理论依据和设计参考。
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