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毕业论文课题相关文献综述
近年来,材料在纳米尺度下的性质和行为已经引起了越来越多的关注。作为自然界
中最为常见的流体之一,水在纳米尺度下的性质和行为与宏观尺度下相比展现出了很多
非常规的特点。例如,有序的分子构型、较高的传输速率以及特殊的扩散形式等等。这些特点促使纳米尺度下的水在分子输运、纳米器械冷却等方面都有着良好的应用前景。因此,深入研究水在纳米尺度通道内所呈现出的变化规律具有重要的科学意义[1]。反渗透是提供洁净水源的有效途径，对缓解淡水资源紧缺的局面具有重要意义。近年来，反渗透领域的研究主要集中在膜材料的设计制备与膜应用过程操作参数的优化[2]。而对反渗透过程的传质机理研究相对薄弱，并已经制约该领域取得进一步突破。
对于微滤、超滤、纳滤等具有相对较大孔道的膜分离过程，传统的溶解扩散和孔流动这两种模型或是两者的结合足以胜任。但在具有亚纳米（1nm）级别的反渗透的膜孔中，由于流体分子受到孔壁的影响愈加明显，膜材料的孔壁物化性质、流体本身的传递特性以及流体与壁面间的相互作用对膜分离过程的影响将显著增加[3]。而上述两个模型中仅仅包含了操作参数（温度、压力），并未考虑到膜材料特性、流体微结构性质及它们间的相互作用等因素。因而以上两种传统模型均不能充分解释疏水通道中反渗透的实验结果[4,5]。
尽管一些实验研究发现疏水通道具有更高的渗透性，并且模拟结果也予以证实[6-8]，对于实际膜过程而言，实验研究者一般认为膜表面亲水更有利于膜分离过程。这两者间的差别主要体现在对膜过程的认识上。以反渗透过程为例，膜过程可以被抽象为三个步骤（图1）：（1）待分离组分在膜表面的接触（吸脱附过程）；（2）待分离组分进入孔道（筛分过程）；（3）流体分子在孔道中的流动（传质过程）。这三个步骤对膜过程的渗透性与选择性均有影响。疏水孔道的模拟研究通常只关心第三个步骤，而实验研究则更关心前两个步骤。
图1膜过程的分解示意图：A，吸脱附过程；B，筛分过程；C，孔内流动过程
在纳米尺度下,由于通道壁面对流体的势能作用不能忽略,通道内流体的流动规律与宏观体系存在很大的区别。[9,10]。由于其直接关系到渗透性能，同时也影响扩散选择性，因此，膜孔内传质行为的研究极为重要。反渗透的孔道尺寸决定了传统的质量传递方程无法直接在该领域得以延伸，因为在纳米受限条件下流体分子已不再满足连续介质模型的基本假设（Z.Y.Guo等人［11,12］将纳米尺度流动特征归结为两方面原因：一是通道的特征尺寸和载体粒子的平均自由程相当时，常规连续介质假定失效；二是由于通道特征尺度的减小，影响流动的各类作用力的相对重要性。研究还表明，通道表面的微观形貌也是纳米尺度流动新特征出现的重要原因）。同时，反渗透过程膜孔内流体传质行为的研究受到实验条件的限制，往往只能通过测定的宏观通量来定性膜材料的优劣，很难对分子层面的信息开展细致表征。一些现代化的物理表征手段，如中子散射、X射线散射，能够获得分子层面的信息，但目前尚难于在线考察膜孔道中流体流动的情况。因此，分子模拟被认为有望开展这一过程的研究。
不同于实验研究，分子模拟受到计算能力的限制，往往仅能在几百纳米及以下的空间尺度上开展研究。因此，从实验结果中抽象出分子模拟所需的模型是研究的关键步骤。通过对孔内流动过程的分析可知，制约流体流动的主要因素是孔道尺寸、外界推动力及孔壁化学性质。在分离膜的选取方面我们采用石墨烯分离膜，原因主要有以下三点：1，孔道尺寸可以单因素考虑，并且孔道尺寸连续可调；2，相对于碳纳米管而言，石墨烯的二维狭缝模型更接近具有连通多孔的真实聚合物材料，在研究盐溶液混合体系时可以有效避免碳纳米管存在堵孔的现象；3，石墨烯基分离膜是目前的研究热点[13,14]，有大量的实验结果可以对比、借鉴，以用于检验、修正模拟结果。
通过分子模拟对反渗透膜孔中传质过程的影响因素展开研究，总结其影响规律，建立膜孔内质量传递方程，可为反渗透膜的开发与应用提供理论指导。
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