石墨烯基材料因其原子级的厚度和优异的综合力学特性,可作为理想的新一代反渗透膜。本文设计了石墨烯基反渗透膜(包括氢化多孔石墨烯膜和柱状石墨烯膜),运用分子动力学方法研究压力驱动下盐水的反渗透特性。通过对渗流定律、水通量、效益权衡的理论分析和计算,本文研究结果能与已有技术进行比较,从而发现石墨烯基膜在反渗透领域的巨大优越性。结果表明,两种反渗透膜都具有极高的选择性、渗透性和抗垢性,是理想的新型反渗透膜材料。本文研究结果为石墨烯材料反渗透特性研究提供了理论基础,并为纳米级反渗透膜的设计给予参考。首先,主要研究了体系温度、驱动压力和膜孔径对反渗透膜的渗透性和选择性的影响,得到了反渗透特性规律和合适的理论分析方法。随着温度和驱动力的提升,水分子渗透提高,但大孔径RO膜的选择性会降低。考虑到这种背反效应需要综合分析,提出了效益权衡方法。根据对水通量或截留率选择性侧重,可以通过调节效益系数获得的效益值去评估各系统参数的效用。当将选择性和渗透性视为同等重要时,由于压力的增大,水分子渗透速度提升,但离子截留率下降较快,导致效益值下降。小孔径膜可以通过调节温度场和压力场来提高效益,大孔径的则需要在各要素间权衡得到最合适的条件。对两种半透膜对比发现,柱状石墨烯不仅继承了石墨烯和碳纳米管优异的渗流特性,而且对离子截留效果更好。然后,分析了温度场和压力场和孔径效应的反渗透作用机理。各个角度的渗流云图,展示了反渗透过程中离子和水分子稳定的输运趋势。在反渗透过程中,离子仅在孔隙中心通过半透膜,而水分子则是分层渗流的状态。这与径向分布函数呈现了水合作用特性,揭示了离子水合壳和孔径效应的作用机理。通过对不同水合层的分子数和氢键的统计,得到各因素下的水合作用的强弱。水合作用越强,纳米孔的孔径效应越明显。不同状态下的水合模型,也反映了孔径对水合状态的影响。水合壳是偏柔性的,离子水合壳通过纳米孔会被挤压变形乃至剥落水分子。此外,研究了渗流入口处的氢键作用和能障分布,得到了温度场和压力场通过对它们的影响而改变反渗透特性的规律。尤为有意义的是,通过在RO膜上施加剪切作用,云图显示离子分布更加均匀化。此举能够削弱浓差极化现象,防止因反渗透膜表面结垢而降低水通量。增大剪切速度导致能障和氢键增大会在一定程度上阻碍水分子渗透,但是可以有效增强水合作用提高离子截留率。