以碳纳米管为水通道仿生构建海水淡化新媒介的基础研究
正渗透作为一种潜在的水纯化与淡化新途径正在引起人们的关注。选择合适的正渗透分离膜一直是制约该技术走出实验室并实现大规模应用的瓶颈问题之一。受生物领域的启发，利用生物通道的简化理论模型-碳纳米管构筑正渗透膜用于海水淡化领域，来解决正渗透过程内浓差极化以及水通量过低等问题。本文利用分子动力学模拟方法，以碳纳米管仿生构筑正渗透膜，考察了水分子以及盐离子在不同尺寸碳纳米管中的密度分布、扩散系数、水通量、盐截留等。
首先，通过分子动力学方法，以扶手椅式、电中性的碳纳米管(R，R)构筑正渗透膜，R=6-11，膜两侧分别为不同浓度的氯化钠溶液。模拟结果表明，水在碳纳米管中的流动速度是非常快的。对于CNT(6，6)、CNT(7，7)、CNT(8，8)、CNT(9，9)型碳纳米管，均可以获得100％的盐截留，而对于CNT(8，8)型碳纳米管不但可以获得较高的盐截留，同样可以得到较高的水通量。当碳管的管径达到CNT(10，10)、CNT(11，11)型时，钠离子就会从原料液进入汲取液从而降低了盐截留率。
受传统膜科学中分离膜的荷电化可提升膜海水分离效能的启发，在前期工作基础上尝试以荷电化碳纳米管(R，R)为水通道仿生构筑正渗透膜，其中R=8-10。模拟中，以0.5mol·L-1氯化钠溶液为原料液，1mol·L-1的氯化镁溶液为汲取液，考察不同荷电量修饰对碳纳米管正渗透膜中水分子密度分布、扩散系数、水通量的影响。研究结果表明，对于CNT(8，8)、CNT(9，9)、CNT(10，10)型碳纳米管随着管口荷电量的增加，水分子在碳管内的径向和轴向密度分布均有趋向于整体密度的趋势，扩散系数也有所增加，在荷电量为-0.3e修饰碳纳米管时，CNT(8，8)、CNT(9，9)、CNT(10，10)中水分子在管中的分布均呈现出较均匀状态；其中电荷对CNT(8，8)型碳纳米管中水分子的影响较显著，当碳纳米管的荷电量为-0.3e时，水通量此时较大；当碳纳米管的尺寸达到CNT(10，10)型时，会有盐离子通过，而盐截留率会在荷电量为-0.3e时出现最低值。
总之，本文作为一种基础性和探究性的研究，希望通过对电中性以及荷电化碳纳米管中受限水分子和盐离子微观行为的研究，可以为这种新型材料在正渗透领域中的应用提供一定的理论指导。
碳纳米管;正渗透;荷电膜;分子动力学模拟;海水淡化
中国海洋大学
硕士
化学工艺
贾玉香
2012
中文
P747;TB383
69
2012-12-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）