CNTs分散形貌影响聚酰胺混合膜脱盐性能的分子动力学研究

摘要

膜法反渗透技术是目前主流的海水淡化技术，开发性能优越的膜材料是反渗透技术的主要任务之一。聚酰胺复合膜（PA）是目前应用最广泛的膜材料之一，其具有水通量大，脱盐率高、化学稳定性好等优点，但同时也存在诸如抗污染性能较差，渗透率与离子选择性之间存在trade-off制约等不足，人们通常对膜进行改性来改善这些问题。纳米技术的发展为这些问题的解决提供了新的突破口，其中将CNTs掺杂到聚酰胺活性层（CNTs/PA）受到了广泛的关注。但在掺杂过程中会出现CNTs分散不均匀的情况，致使膜产生缺陷，反而降低膜的性能。但目前的实验方法很难有效调控CNTs在膜中的具体分散形貌，也就无从知道哪种形貌有利于膜的性能提升，而分子动力学方法作为一种“虚拟实验”可以做到，因此本文采用分子动力学模拟方法，探究纯PA膜的脱盐性能，以及CNTs/PA混合膜的结构和脱盐性能，并分析CNTs的分散形貌对混合膜的影响。 首先，本文研究了纯PA膜体系，分别考察了膜内、外水分子的微观结构与动力学特性，以及PA膜的脱盐性能。结果表明膜内亲水功能基团的分布位置对水分子在膜内的传递有重要的影响；由于膜通道的限制作用使得水分子在膜内主要形成2个氢键，构成链状的氢键结构，进而有利于水分子在膜内的定向传递。水分子在膜内通过氢键连接形成水团簇，当最大水团簇的尺寸为300时，膜通道已被水团簇贯通，也就是说膜内存在贯穿整个膜区域的水通道，这对水分子的传递是有利的。在本论文的研究体系下，膜的阻盐率为100%，同时水通量与文献值相当，且温度的升高使水通量有所增大。 然后，模拟了CNTs/PA混合膜模型，以探究CNTs分散形貌对PA膜性能的影响。在各混合膜中，阻盐率皆为100%；而对于水通量，CNTs分散形貌对其有很大的影响，其中分散形貌处于平行状态的混合膜水通量最大，相比于纯PA膜提升了31.8%，这主要是由于CNTs为水分子提供了直的快速传输通道，进而使膜的水通量得到大幅提升。通过探究混合膜中CNTs内的氢键特性发现水分子主要形成2和3个氢键，并形成四边形的水分子结构，这种结构的形成对水分子在管内的高速传递有利，进而为水通量的提升做出贡献。 本文采用分子动力学方法探究了PA膜内的传递机理以及CNTs分散形貌对CNTs/PA混合膜通水阻盐性能的影响，以期为制备高性能的反渗透膜提供理论依据，并并为改善反渗透技术提供理论指导。

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