石墨烯反渗透膜表面速度滑移对选择性和渗透性的影响机理

作     者：张泽程 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张忠强

授予年度：2021年

学科分类：080706[工学-化工过程机械] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：石墨烯 反渗透 速度滑移 氢键 离子水合 

摘      要：石墨烯材料因其单原子厚度和优异的力学性能在膜分离领域具有广阔的应用前景。最近,研究人员利用石墨烯反渗透膜相对于盐水的切向运动进行脱盐研究,发现反渗透膜表面的速度滑移能极大的提高离子截留率,最终在大孔径下同时获得了较高的水通量和良好的离子截留率,为反渗透膜性能的提升提供了新方向。因此,本文运用分子动力学方法研究了反渗透膜剪切运动时表面速度滑移对选择性和渗透性的影响机理。研究的结果将对反渗透膜剪切运动的行为提供更清晰的认识,同时为反渗透膜的设计给与理论参考。本文的主要内容如下:反渗透膜表面滑移较小时,从氢键和离子水合变化的角度对反渗透特性的改变进行了分析。首先构建了三维结构的柱状石墨烯反渗透膜,研究了不同压强、温度和膜的剪切运动对反渗透滤盐特性的影响规律。研究结果证明了柱状石墨烯在反渗透领域的巨大应用潜力。特别地,剪切速度的增大会增强氢键和离子水合壳的稳定性,造成水通量的降低和离子截留率的提高。接着,构建了含有不同官能团的单层带孔石墨烯反渗透膜,研究了压强和剪切速度变化对反渗透特性的影响。研究结果验证了反渗透膜剪切运动对水通量和盐离子截留率影响规律的普遍性。此外发现剪切速度的提高会增强氢键的稳定性和水分子的分布有序性,使水分子的密度增大,同时也会增强离子水合壳的稳定性,使离子难以通过削弱水合壳的方式通过纳米孔。反渗透膜表面产生较大滑移时,从滑移速度和剪切应变率变化的角度对反渗透特性的改变进行分析。首先,在剪切速度不变的情况下,通过改变盐水区石墨烯挡板与水分子之间的势能参数研究了滑移速度变化对反渗透特性的影响。发现滑移速度的增大能提高离子截留率,但对水分子的渗透没有影响;盐水剪切应变率的增大会削弱氢键的稳定性,从而提高水通量。其次考虑了孔隙率变化对反渗透特性的影响。结果显示,反渗透膜孔隙率的增大会减小滑移速度,降低离子截留率,但会增加盐水剪切应变率,提升水通量。最后考虑了反渗透膜层数变化对反渗透特性的影响,发现剪切速度相同时,反渗透膜层数的增加会提升盐离子截留率,但相应的会降低水通量。