水压方向和电场方向对纳米通道过滤膜效率的影响研究

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水不仅是万物生存和发展的基本条件,也是国家的经济发展重要战略资源。虽然水占地球表面积的75%,但是世界上仍然有很多国家和地区的淡水资源非常匮乏,有效解决这个重大难题的两个主要途径是海水淡化和污水净化,实现这两种途径的技术方法有很多种,其中利用过滤膜技术是最经济、高效的。碳纳米管水通道具有天然的中空结构,近年来大量的理论和实验研究表明水在碳纳米管通道中的输运速度能达到宏观无滑移情况下的1000倍,碳纳米管无疑是制造高渗透率过滤膜的理想材料之一。水在受限的碳纳米管中具有很多奇特的性质,探究这些性质并阐明内在的物理机制对制造高效的碳纳米管过滤膜具有重要的理论意义和实用价值。为了进一步探究碳纳米管的相关输运性质,本论文主要研究了以下三个方面的内容:(1)静水压的方向对碳纳米管中水输运性质的影响。利用分子动力学模拟,研究发现在相同的静水压情况下,当水压的方向与管轴方向夹角不同时,产生的水流量也不同,令人感兴趣的是当水压与管轴方向夹角为45度时流量最大,约是夹角为0度时的3倍。分析揭示了当水压与管轴方向有夹角时,影响了管中水分子的平均占据数和氢键数,其中夹角为45度时平均氢键数和占据数最大,表明系统此状态最稳定,水链不容易断裂。另外,静水压的方向影响了水分子进出管子的难易程度,综合这些因素,夹角为45度状态有最大流量值。(2)静电场的大小和方向对纳米通道中水输运性质的影响研究。利用分子动力学模拟,考察施加不同大小和方向的静电场来研究碳纳米管中水分子的输运性质,模拟的所有体系静水压均为30 MPa,重点关注在相同场强情况下,对比静电场方向与z轴方向相同和相反对纳米通道中水的输运性质的影响。研究表明,在场强0.01
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