水和盐分子在反渗透膜中溶解扩散过程的分子模拟

论文摘要

本文采用巨正则蒙特卡洛（GCMC）法和分子动力学（MD）法，模拟了水和盐分子在反渗透复合膜体系中的溶解-扩散过程。选用8种典型的高分子反渗透复合膜（TMC/MPD，TMC/MMPD，TMC-HT/MMPD，HT/MMPD，CFIC/MMPD，CFIC/MPD，ICIC-HT/MPD，ICIC-IPC/MPD），海水中含量最高的4种盐分子（NaCl，MgCl2，CaSO4，K2SO4）为模拟对象。首先采用分子动力学法模拟水和盐分子在反渗透膜中的扩散过程，获取粒子在体系中运动轨迹，并用聚类分析法分析了粒子运动的MSD曲线得到扩散系数值。结果发现，水分子在膜中的扩散系数值远大于盐离子的扩散系数值；盐离子的价态影响其在膜中的扩散系数的大小，且离子化合价越高，扩散越慢；膜材料的结构单体对水和盐分子的扩散系数影响较大，膜TMC/MMPD和CFIC/MMPD中，结构单体甲基间苯二胺比膜TMC/MPD和CFIC/MPD中结构单体间苯二胺多了一个甲基，增加了其位阻效应，阻碍了粒子的运动，另外由于基团增加也使自由体积分数变小，从而使其扩散系数减小；水分子和盐离子在聚合物膜体系中是不断运动着的，且在大部分情况下做小幅度的振动，只有在合适的时间、位置和速度时从一个自由体积孔穴跳跃到另一自由体积孔穴。由此可见体系内自由体积的大小、分布都对渗透分子的扩散有影响。且自由体积分数越大，体系内的自由体积空穴越多，则渗透分子在体系内孔穴间的跳跃所需的距离越小，扩散越快。溶液中一种组分在膜中的扩散受到另一组分的影响，在相同模拟条件下，粒子在简单体系中的扩散系数远大于复杂体系，因多种离子的同时存在阻碍了单个离子的扩散；对于同一阴离子（如Cl-），不同阳离子(Na+或Mg2+)的存在致使该阴离子的扩散系数差别较大。对水分子在8种反渗透复合膜中的吸附溶解过程进行了巨正则蒙塔卡罗法模拟。在周期边界条件下，得到了298K下水分子在膜中的吸附等温线，并采用双重吸附模型进行非线性最小二乘法拟合，进而得到溶解度系数和渗透系数。结果表明，压力较低时，水分子以单分子形式优先在聚合物微孔区域被吸附，吸附速度较快；随着压力升高，水分子开始聚集成簇，且微孔区趋于饱和，水分子吸附在聚合物稠密区进行，速度变慢，并逐渐达到吸附平衡。低压时水分子在不同膜中吸附速率不同，达到吸附平衡时在不同膜中的浓度值也有很大差别。水分子在不同复合膜中的溶解度系数和渗透系数值差别较大，且聚合物膜体系的自由体积分数越大，溶解度系数越大；溶解度系数较大时，水分子在体系占据位置较多且均匀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 文献综述
• 1.1 反渗透机理
• 1.2 反渗透海水淡化技术概况
• 1.2.1 反渗透海水淡化技术的发展
• 1.2.2 反渗透海水淡化技术的应用
• 1.2.3 反渗透海水淡化技术存在问题及前景展望
• 1.3 反渗透膜材料及功能单体对膜分离性能的影响
• 1.4 分子模拟在膜分离中的应用
• 1.5 本文研究目的和研究内容
• 2 分子模拟理论基础
• 2.1 分子力场
• 2.2 周期性边界条件
• 2.3 分子动力学模拟
• 2.3.1 分子动力学模拟的基本原理
• 2.3.2 分子动力学模拟的系综
• 2.3.3 分子动力学模拟的基本步骤
• 2.4 蒙特卡洛模拟
• 2.5 MS 在分子模拟中的应用研究
• 2.6 本章小结
• 3 扩散系数的分子动力学模拟
• 3.1 各粒子在反渗透膜中扩散系数的分子动力学模拟
• 3.1.1 模型构建
• 3.1.2 模型有效性验证
• 3.2 聚合物膜体系自由体积模拟
• 3.3 水和盐分子扩散系数的分子动力学模拟
• 3.3.1 扩散系数的模拟过程
• 3.3.2 扩散系数的计算及分析
• 3.3.3 水和盐离子在反渗透膜体系中的扩散轨迹
• 3.3.4 离子间相互影响
• 3.4 本章小结
• 4 溶解度系数的蒙特卡洛模拟
• 4.1 水分子在反渗透膜中溶解度系数的巨正则蒙特卡洛模拟
• 4.1.1 溶解度系数的模拟过程
• 4.1.2 溶解度系数的计算
• 4.2 水分子在反渗透膜体系的渗透系数
• 4.3 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介