多孔石墨烯膜反渗透特性的分子动力学研究

摘要

随着石墨烯材料与石墨烯孔制备技术的快速发展，多孔石墨烯作为分离膜得到诸多应用，基于多孔石墨烯膜的反渗透研究引起广泛关注。本文利用分子动力学方法研究了盐溶液在多孔石墨烯膜中的反渗透过程，探究了多孔石墨烯膜的反渗透性能。研究结果将对多孔石墨烯膜反渗透性能研究及多孔石墨烯膜设计提供一定的理论指导。 基于单层带孔石墨烯膜反渗透模型，探究盐溶液浓度、压强、孔结构对膜反渗透性能影响。研究发现盐溶液浓度变化时对多孔石墨烯膜水通量影响较小，但多孔石墨烯膜盐离子截留性能随盐浓度增加而提高。其次，研究发现多孔石墨烯膜的水通量随着压强增加而增大，盐离子截留性能随着压强增大而降低。此外在多孔石墨烯膜孔面积变化时，多孔石墨烯膜水通量随孔面积增大而提高，水通量可达172 L·cm-2·day-1·MPa-1，在相同盐离子截留性能条件下比实验报道中聚酰胺复合反渗透膜的水通量高2-3个量级。多孔石墨烯膜孔面积对盐离子截留性能有重要影响，当孔径小于盐离子水合半径时，盐离子被多孔石墨烯膜完全截留，当孔径大于盐离子水合半径时，离子截留率随孔面积增大而减小。在多孔石墨烯膜孔构型变化时，发现水分子透过多孔石墨烯膜孔构型越趋近圆形态能障越低，多孔石墨烯膜的水通量越高，膜盐离子截留性能随着孔构型趋近圆形态而降低。 基于多层带孔石墨烯膜反渗透模型，探究盐溶液浓度、压强、层错和层间距，及层数变化和引入梯度孔对膜反渗透性能影响。研究结果表明盐溶液浓度变化时，水分子透过双层多孔石墨烯膜的能障变化比较小，膜水通量变化可不考虑，膜的盐离子截留性能随着盐溶液浓度增大而提高。当增大压强时，水分子透过双层多孔石墨烯膜的能障会减小，膜水通量随压强增加而增大，盐离子截留性能随压强增大而降低。在考虑双层多孔石墨烯膜层间距和层错距离变化时，发现水分子透过平衡间距双层多孔石墨烯膜能障最小，相应的膜水通量最大。随着层间距增大，双层多孔石墨烯膜能障增大，膜水通量减小，盐离子截留性能则是随着层间距的增大而提高。此外，水分子透过双层多孔石墨烯膜的能障随层错间距的增加而增大，水分子透过时能量要求提高，所以膜的水通量减少，而盐离子截留性能随层错间距的增大而提高。当多孔石墨烯膜层数变化时，结果表明：层数增加后水分子透过多孔石墨烯膜的能障作用更为显著，水分子越难透过多孔石墨烯膜，从而膜的水通量减小，盐离子截留性能则随着层数的增加而增强；当引入梯度孔结构时，发现梯度孔结构使得水分子透过膜的能障作用增强，从而膜的水通量减少，但盐离子截留性能在引入梯度孔结构后得到提高。

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