计算机分子模拟研究MXenes膜材料的有机溶剂纳滤性能

作     者：赵梓童 

作者单位：武汉工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘捷

授予年度：2023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：MXenes膜 有机溶剂纳滤 层间距 溶质截留 分子模拟 

摘      要：MXenes膜因其刚性的层状结构和易于功能化的终端基团而成为有前途的膜材料。在微观水平上了解溶剂通过MXenes膜的传递机理对于开发新的MXenes基膜具有重要意义。有机溶剂纳滤（Organic Solvent Nanofiltration,OSN）在近些年已成为分离有机溶剂的重要手段,它使用纳滤来分离和提纯有机介质。MXenes膜材料在有机溶剂纳滤领域应用前景广阔。通过模拟计算预测MXenes膜材料的OSN性能,能够为新型膜材料的开发提供有效的理论支撑。本论文利用计算机分子模拟的手段,研究了MXenes膜在有机溶剂渗透和溶质排斥方面的性能,探究MXenes膜的OSN性能。主要内容和要点如下:1.第一个工作研究了多种有机溶剂（如丙酮、乙腈、甲醇和乙醇）和染料溶质（尼罗红）在不同层间距（0.9 nm,1.45 nm,2 nm和2.5 nm）下的MXenes膜材料的有机溶剂纳滤性能。在d间距为0.9 nm的膜中,溶剂通量由膜中的溶剂排列来调节。溶剂的有序取向和排列将导致高通量。此时,溶剂的排列是由溶剂和膜表面之间的相互作用能所主导的。当d间距大于1.45nm时,溶剂的特性（如粘度）在通量测定中起主导作用。与已报道的膜相比,通过二维MXenes片状膜可以实现更高的溶剂通量。溶质的排斥是由尺寸筛分机制控制的,在d间距为0.9nm和1.45nm的MXenes膜中可以获得100%的尼罗红排斥。2.在上个工作的基础上进一步研究了纳米片的排列结构的不同对MXenes膜材料的有机溶剂纳滤性能的影响。MXenes膜材料依旧选用TiCO,选取的有机溶剂为甲醇、乙醇和乙腈。将纳米片分为四层,通过改变纳米片的孔径偏移距离（完全错层、部分错层、无错层）和纳米片之间的孔径大小（2.5 nm,3nm和3.5nm）,来进一步探究MXenes的有机溶剂纳滤性能。在完全错层时,乙醇的通量为0,甲醇和乙腈的通量也非常小。在部分错层和无错层时,通量的大小顺序为甲醇乙腈乙醇,这是由于粘度的影响所导致的结果。除此之外,随着D的增大,三种溶剂的通量均呈现出减小的趋势,溶质的截留率呈现出减小的趋势。在完全错层下,所有体系可以获得100%的PPH-IV的溶质截留,但在其他的排列下,溶质的截留效果并不理想。3.在第二个工作的基础上,以完全错层的排列结构为基础,通过改变纳米板的层间距H的大小来模拟计算有机溶剂的通量和溶质的截留率,进一步探究OSN的性能。这里我们选取的层间距H为1.5nm,2nm,2.5 nm,结果表明随着层间距H的增大,有机溶剂的通量增大,渗透率随之增大,溶质的截留率减小。层间距H也是影响膜材料的OSN性能的一个影响因素。本工作自下而上揭示了主导二维MXenes层状膜溶剂渗透和溶质排斥的关键决定因素,也为新型高水平OSN膜的研究提供了便利。