膜及水溶液内扩散过程的分子模拟研究

论文摘要

本论文针对目前传统试验手段用在研究分子扩散过程以及扩散系数方面的局限性,通过分子动力学模拟（Molecular Dynamic Simulation）的手段,研究了小分子在膜以及水溶液内的扩散过程。主要进行的研究工作包括:氧气等气体分子在水溶液内扩散过程的模拟;甲醇等有机物分子在水溶液内扩散过程的模拟;水和盐分子在膜中扩散状态及扩散系数的研究。对温度为298.15K、293K、303K、313K时的气体水体系进行了动力学模拟。在建立模型时分别加入了不同数目的分子。模拟结果表明:对于一定浓度和温度的被研究体系,扩散系数的模拟计算值与分子数样本有关系。在气体水体系中,随着模型中分子数的增多,其扩散系数先增大后减小;比较不同分子数时的模拟曲线与实验曲线,发现当气体分子数为6,模拟值与实验值吻合最好。对温度为293.15K,压力为0.1MPa,浓度分别为0.2mol/l、0.4mol/l、0.6mol/l、0.8mol/l的甲醇水溶液进行了分子动力学模拟,建立模型时分别加入了不同数目的分子。模拟结果表明:在一定浓度和温度的有机物水体系中,扩散系数的模拟计算值会随着模型中分子数的增多而增大,且逐渐的接近于实验值。通过该方法,计算了三中有机物在水中以及盐水中的扩散系数。通过分子动力学模拟的方法模拟了水分子和盐分子在膜中的扩散过程,并通过聚类分析法计算了其扩散系数。通过对NaCl分子在膜中扩散系数的分析,发现NaCl分子在膜内的扩散随着膜类型的不同而受制于不同的离子。在8种反渗透膜中,水分子在膜HT/MMPD中的扩散系数最大,远远高于在其它膜内的扩散系数;水分子在膜TMC/MMPD、CFIC/MMPD中的扩散系数分别比在TMC/MPD、CFIC/MPD中小。本文中TMC/MPD在体系中的扩散系数为0.0115（?）2/ps,已有的模拟结果为0.015（?）2/ps,两个结果基本吻合。对模拟结果进行比较,发现在温度、压力等外部条件相同的情况下,水分子,Na+与Cl-在纳滤膜内的扩散系数比在反渗透膜中高,约为2-3倍。Na+与Cl-在NF40纳滤膜中的扩散系数分别为0.126（?）2/ps和0.147（?）2/ps,这与NaCl分子在商业纳滤膜中的扩散系数为0.161（?）2/ps基本吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 膜分离技术
• 1.1.1 膜技术的发展
• 1.1.2 纳滤及纳滤膜
• 1.2 分子动力学模拟
• 1.2.1 基本原理
• 1.2.2 分子模拟的应用与发展
• 1.2.3 分子力场
• 1.2.4 周期边界条件
• 1.2.5 模拟环境
• 1.2.6 模拟过程
• 1.3 扩散系数的研究
• 1.4 扩散系数的分子模拟研究
• 1.4.1 气体扩散系数的模拟
• 1.4.2 小分子扩散系数的模拟
• 1.4.3 膜扩散过程的分子模拟
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 水溶液中扩散过程的分子模拟
• 2.1 气体在水中的扩散过程模拟
• 2.1.1 模型搭建
• 2.1.2 动力学模拟
• 2.1.3 模拟环境
• 2.1.4 扩散系数的计算
• 2.1.4 步长的影响
• 2.1.5 模拟结果及分析计算
• 2.1.5.1 氧气模拟轨迹及分析计算
• 2.1.5.2 样本数的影响
• 2.2 有机物在水中的扩散过程模拟
• 2.2.1 模型搭建
• 2.2.2 模拟轨迹及分析计算
• 2.2.3 样本数的影响
• 2.3 本章小结
• 第三章 膜扩散过程的分子模拟
• 3.1 反渗透膜扩散过程的模拟
• 3.1.1 高分子链模型的构建
• 3.1.2 扩散分子模型的构建
• 3.1.3 膜晶格的构建
• 3.1.4 模拟细节
• 3.1.5 模拟环境
• 3.1.6 步长选择
• 3.1.7 模拟结果及分析计算
• 3.2 纳滤膜扩散过程的模拟
• 3.2.1 高分子链和小分子模型的构建
• 3.2.2 膜晶格模型的构建
• 3.2.3 模拟结果与分析
• 3.3 结果与比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文