一種石墨烯表面納米孔洞應(yīng)用于海水淡化的理論研究方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于海水淡化領(lǐng)域中的理論預(yù)測(cè)技術(shù)，設(shè)及評(píng)價(jià)石墨締作為膜組件應(yīng)用于 反滲透膜的工作機(jī)理。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)經(jīng)濟(jì)在過(guò)去二十多年的改革開(kāi)放中取得了巨大的成就。工業(yè)快速發(fā)展和人民 生活水平迅速提高的同時(shí)，伴隨著大量工業(yè)和生活廢水的產(chǎn)生。運(yùn)些廢水污染了很多本就 緊張的淡水資源。而今后社會(huì)的繼續(xù)發(fā)展需要更多的水資源。因此現(xiàn)有的水資源不足W支 撐社會(huì)的進(jìn)一步需求。水資源短缺成為限制社會(huì)發(fā)展的根本問(wèn)題。
[0003] 膜分離技術(shù)是利用膜對(duì)溶液中個(gè)組分選擇透過(guò)性的差異，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)組分溶質(zhì)和溶 劑的分離。該方法高效，節(jié)能，環(huán)保，分子級(jí)過(guò)濾及過(guò)濾過(guò)程簡(jiǎn)單、易于控制等。因此，已廣 泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、生物、環(huán)保、化工、冶金、能源、石油、電子等領(lǐng)域，是為當(dāng)今分離科學(xué)中 最重要的手段之一。同時(shí)是當(dāng)今解決水資源短缺的首選方法。在沿海地區(qū)，膜法海水淡化 是緩解運(yùn)些地區(qū)水資源短缺的主要手段。膜法污水資源化是當(dāng)前解決水污染問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)污 水資源化利用的首選技術(shù)。同時(shí)膜分離技術(shù)也被作為新一代自來(lái)水廠(chǎng)的凈化技術(shù)，成為保 障飲用水安全的核屯、技術(shù)。
[0004] 膜是膜分離技術(shù)中的核屯、元件。根據(jù)組成膜的材料，膜可W分為無(wú)機(jī)膜和有機(jī)膜。 根據(jù)膜表面孔徑的大小，膜依次可W分為微濾膜，超濾膜，納濾膜，反滲透膜。海水淡化膜主 要是反滲透膜。該類(lèi)膜的孔徑只有幾納米，能夠有效地去除水中的溶解鹽類(lèi)。該類(lèi)反滲透 膜由多孔支撐層、脫鹽層和功能修飾層等構(gòu)成。無(wú)紡布和聚諷基膜構(gòu)成R0膜的多孔支撐 層，為反滲透膜的制備和應(yīng)用提供了界面反應(yīng)環(huán)境、力學(xué)強(qiáng)度和化學(xué)與熱穩(wěn)定性；脫鹽層由 芳香聚酷胺組成，芳香聚酷胺的品質(zhì)決定反滲透膜的離子選擇性和水透過(guò)能力。運(yùn)些薄膜 上的小孔極為致密，需要非常大的壓力迫使海水通過(guò)薄膜，需要消耗不少的能源。進(jìn)一步研 究發(fā)現(xiàn)，在芳香聚酷胺層附近有顯著的鹽離子的濃度極化現(xiàn)象，大量堆積的鹽離子極大的 減緩了水流通過(guò)薄膜上小孔的速率，并發(fā)現(xiàn)極化程度與脫鹽層的厚度成反比。 陽(yáng)〇化]石墨締是人類(lèi)迄今為止找到的最薄的二維膜并具有非常大的機(jī)械強(qiáng)度。因此制備 基于石墨締的脫鹽層將極大的降低濃度極化現(xiàn)象并提高海水淡化膜的工作效率。麻省理 工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授Grossman首次從理論上提出通過(guò)精確控制多孔石墨締 的孔徑并對(duì)小孔邊緣修飾適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)基團(tuán)，使其能夠排斥或吸引水分子。石墨締就如同篩 子一樣快速地濾掉海水中的鹽，只留下水分子。新工藝的關(guān)鍵是非常精確地控制石墨締孔 桐的大小。在石墨締表面制備納米孔桐有很過(guò)多方法，例如，刻蝕，離子束轟擊，電子束轟擊 等。運(yùn)些方法制備出的孔桐過(guò)大或孔徑分布不佳。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員Vlassio址等 人通過(guò)氧等離子體（oxygenplasma)與石墨締的短暫接觸，在石墨締表面氧化出大約1皿 的孔桐。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證該孔桐可W濾掉鹽溶液中的鹽分離子。運(yùn)些實(shí)驗(yàn)技術(shù)驗(yàn)證了 帶有納米孔桐的石墨締在海水淡化中應(yīng)用的可行性。但是很難從微觀(guān)角度直接觀(guān)察到納米 孔桐對(duì)海水中鋼離子和氯離子的濾過(guò)過(guò)程。
[0006] 分子動(dòng)力學(xué)模擬是一種常用的理論模擬方法。廣泛應(yīng)用于從微觀(guān)角度直接研究各 種現(xiàn)象。例如，研究高分子膜，石墨締，氧化石墨締，石墨烘等體系中的納米孔桐。探討運(yùn)些 孔桐濾過(guò)鹽水中鹽分離子的可行性。在分子動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)上，結(jié)合自由能計(jì)算方法，例如 傘形采樣（umbrellasampling),微元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（metadynamics)等。該方法大量應(yīng)用于 研究各種離子通道，計(jì)算離子穿越通道時(shí)的自由能曲線(xiàn)，尋找穿越過(guò)程中的一些亞穩(wěn)態(tài)，分 析運(yùn)些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。得到自由能最高點(diǎn)的位置，鎖定穿越過(guò)程中關(guān)鍵殘基的位置。并得到 穿越過(guò)程的能壘高度，在此基礎(chǔ)上計(jì)算穿越速率。由于通道中的離子穿過(guò)的方式不確定，可 能是一個(gè)離子過(guò)完第二個(gè)離子再過(guò)，也可能是兩個(gè)離子一起協(xié)同通過(guò)，此時(shí)會(huì)用二維自由 能曲面來(lái)表示。另外通過(guò)計(jì)算不同種離子穿越通道的自由能曲線(xiàn)，可W比較運(yùn)些離子穿越 孔桐的難易程度。運(yùn)種方法已廣泛的應(yīng)用于研究各類(lèi)離子，小分子穿越多種通道蛋白內(nèi)部 的孔桐。然而使用該方法研究離子通過(guò)石墨締表面孔桐的工作則鮮有報(bào)道。
[0007] 本項(xiàng)目正是立足于此，通過(guò)應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)合自由能計(jì)算方法，研究鋼離 子和氯離子穿越石墨締表面納米孔桐的過(guò)程。計(jì)算石墨締表面納米孔桐中水分子，鋼離子， 氯離子，鋼-氯離子對(duì)的通過(guò)機(jī)理。探討鋼離子和氯離子通過(guò)孔桐的相關(guān)性。深入分析不 同壓力下，各種尺寸孔桐的拒鹽機(jī)理（SaltRejection)。拓展我們對(duì)石墨締作為脫鹽層在 海水淡化方面的認(rèn)識(shí)。為今后計(jì)算機(jī)輔助膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種理論預(yù)測(cè)超濾膜與小分子污染物 結(jié)合強(qiáng)度的方法，W使評(píng)估超濾膜的工作效率。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提供的技術(shù)方案包括W下步驟：
[0010] 1)選取含有納米孔桐的石墨締作為分離膜，選取鋼離子和氯離子穿越石墨締表面 納米空桐，通過(guò)Qie血raw和VMD建模。
[0011] 2)采用分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件NAMD模擬體系在溶劑中的運(yùn)動(dòng)。在該程序中使用 CHARMM立場(chǎng)描述體系中各個(gè)分子之間的相互作用。應(yīng)用周期性邊界條件。使用Langevin動(dòng) 力學(xué)和Langevin活塞壓力控制，將溫度和壓強(qiáng)保持在298K和化ar。使用Verletr-RESPA 算法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分。采用SHAKE算法對(duì)所有包含氨原子的共價(jià)鍵進(jìn)行限制。對(duì)于非 鍵相互作用采用應(yīng)用截?cái)啵o電相互作用采用PME方法處理。
[0012] 3)選取反應(yīng)坐標(biāo)，采用Adaptivebiasingforcemethod方法計(jì)算離子穿越石墨 締表面納米孔桐時(shí)的自由能變化。
[0013] 4)通過(guò)W下公式計(jì)算出兩個(gè)小分子的結(jié)合自由能常數(shù)。
[0014]
[0015] 本發(fā)明中采用的理論模擬方法可W預(yù)測(cè)鋼離子和氯離子穿越石墨締表面納米孔 桐時(shí)的速率常