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纳米碳管的盐水通道行为研究

作　者: 李燕
导　师: 胡仰栋
学　校: 中国海洋大学
专　业: 应用化学
关键词: 纳米碳管分子动力学模拟
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自从1991年Iijima发现纳米碳管以来,纳米碳管以其众多独特的性能已经得到了广泛的研究和应用。本文在前人研究的基础上,将纳米碳管以密堆积的方式构筑水和离子的膜通道,采用分子动力学方法模拟了300K、1.01×105Pa下不同尺寸的扶手椅型纳米碳管中水分子和盐离子的扩散和渗透行为。通过分子动力学模拟可以发现,在膜两侧不存在渗透压差的情况下,水分子可以通过自扩散的形式进入狭窄的(6,6)纳米碳管,并且可以在纳米碳管内快速传递,钠离子不能通过自扩散形式进入直径较小的(6,6)纳米碳管,只能通过尺寸较大的(8,8)纳米碳管且传递速度小于水分子,主要是钠离子以水合离子的形式存在,故只能通过直径较大的(8,8)碳管。此外,本文得到了水分子和钠离子在(6,6)和(8,8)碳管内的平衡构型,水分子在(6,6)碳管内以氢键相连形成一条纵列,在(8,8)管内,水分子形成四条交错的纵列,钠离子位于管内轴线位置且被包裹在水分子中间。在自扩散研究的基础上,本文进一步模拟了膜两侧存在渗透压差的情况下(6,6)、(7,7)、(8,8)、(9,9)、(10,10)、(11,11)六种不同直径的纳米碳管内水分子和盐离子的渗透行为,纳秒级的模拟让我们得到了水分子和盐离子在管内的平衡构型、水分子在管内的径向密度分布和轴向密度分布等静态性质,管内水分子数目随时间的变化、水通量变化、水分子和钠离子在管内的轴向运动等动态行为,最后,本文计算了不同直径的纳米碳管膜对盐离子的截留效率,综合各个管内水通量的变化情况,本文在六种不同直径的纳米碳管中筛选出了性能最佳的(8,8)纳米碳管,其大的水通量和高的阻盐率有望作为一种有效的渗透膜为实现海水淡化作出贡献。总之,本文作为一种基础性研究,希望通过对纳米碳管中受限水分子和盐离子微观性质和行为的研究,为纳米碳管内受限流体的研究以及海水淡化领域正渗透的研究提供理论参考和技术支持。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章前言  10-26
  1.1 正渗透膜过程简介  10-15
    1.1.1 正渗透  12
    1.1.2 正渗透的原理、过程及特点  12-14
    1.1.3 正渗透的应用及发展前景  14-15
  1.2 纳米碳管简介  15-19
    1.2.1 纳米碳管的结构  15
    1.2.2 纳米碳管的分类  15-18
    1.2.3 纳米碳管的性质和应用  18-19
    1.2.4 纳米碳管的研究进展  19
  1.3 分子动力学模拟简介  19-25
    1.3.1 分子动力学模拟的概念及其应用  19-20
    1.3.2 分子动力学模拟原理  20-21
    1.3.3 分子动力学模拟的过程  21-22
    1.3.4 分子动力学模拟的关键步骤  22-25
    1.3.5 分子动力学模拟的应用发展前景  25
  1.4 本文的研究方法及内容  25-26
第二章纳米碳管中盐水扩散的分子动力学模拟  26-33
  2.1 模拟方法  26-27
  2.2 结果与分析  27-32
    2.2.1 水分子和钠离子在管内的平衡构型  27-29
    2.2.2 水分子在管内的轴向密度分布  29-30
    2.2.3 水分子在管内的轴向运动  30-31
    2.2.4 钠离子水合性质的研究  31-32
  2.3 本章小结  32-33
第三章纳米碳管中盐水渗透的分子动力学模拟  33-65
  3.1 模拟方法  33-35
    3.1.1 体系模型的构建  33-34
    3.1.2 势能函数的选取  34-35
  3.2 模拟的具体步骤  35-37
  3.3 模拟结果及分析  37-63
    3.3.1 纳米碳管内水和离子的静态性质  37-51
    3.3.2 纳米碳管内水和离子动态行为的研究  51-61
    3.3.3 截盐率的研究  61-63
  3.4 本章结论  63-65
第四章结论与认识  65-68
  4.1 论文的主要结论  65-66
  4.2 论文的主要创新之处  66-67
  4.3 研究展望  67-68
参考文献  68-74
致谢  74-75
个人简历  75
发表的学术论文  75

纳米碳管的盐水通道行为研究

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