以荷电化碳纳米管构筑正渗透膜用于海水淡化的分子动力学模拟

doi:10.3866/PKU.WHXB201112191

物理化学学报 >> 2012, Vol. 28 >> Issue (03): 573-577.doi: 10.3866/PKU.WHXB201112191

以荷电化碳纳米管构筑正渗透膜用于海水淡化的分子动力学模拟

李海兰, 贾玉香, 胡仰栋

中国海洋大学化学化工学院, 山东青岛 266100

收稿日期:2011-08-31 修回日期:2011-12-09 发布日期:2012-02-23
通讯作者: 贾玉香 E-mail:jiayx76@yahoo.com.cn
基金资助:
国家自然科学基金(20806076)和山东省自然科学基金(ZR2011EMQ004)资助项目

Molecular Dynamics Simulation of the Desalination of Sea Water by a Forward Osmosis Membrane Containing Charged Carbon Nanotubes

LI Hai-Lan, JIA Yu-Xiang, HU Yang-Dong

College of Chemistry and Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, Shandong Province, P. R. China

Received:2011-08-31 Revised:2011-12-09 Published:2012-02-23
Contact: JIA Yu-Xiang E-mail:jiayx76@yahoo.com.cn
Supported by:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20806076) and Natural Science Foundation of Shandong Province, China (ZR2011EMQ004).

摘要/Abstract

摘要： 受传统膜科学中分离膜的荷电化可提升膜盐水分离效能的启发, 在前期工作基础上尝试以荷电化碳纳米管CNT(8, 8)为水通道仿生构筑正渗透膜, 利用分子动力学模拟的方法研究水分子在膜中的传递行为. 模拟中, 以0.5 mol·L^-1氯化钠溶液模拟海水, 1 mol·L^-1的氯化镁溶液为汲取液, 考察不同电量电荷修饰对碳纳米管正渗透膜中水分子密度分布、扩散系数以及水通量的影响. 结果显示, 电荷修饰对碳纳米管中水分子的密度分布和扩散速率以及水通量影响较显著, 当碳纳米管管口荷电量为-0.3e时, 碳纳米管膜可获得最大水通量.

关键词: 正渗透, 碳纳米管, 荷电膜, 分子动力学模拟, 海水淡化

Abstract: Spurred by traditional membrane science in which a charged membrane can improve separation efficiency, a forward osmosis membrane containing charged“armchair-type”(8, 8) carbon nanotubes (CNTs) was developed and the transport phenomena of water molecules in this membrane were investigated. In the simulation, 0.5 mol·L^-1 NaCl was chosen to mimic seawater, and 1 mol·L^-1 MgCl₂ was chosen as the draw solution. The effects of electric charge on the density distribution, diffusion of water molecules, and the water flux of the membrane were investigated in detail. Modifying the CNT membrane by charge significantly changes the density distribution, diffusion, and flux of water molecules. The membrane containing CNTs modified by -0.3e can achieve the highest water flux of those developed.

Key words: Forward osmosis, Carbon nanotube, Charged membrane, Molecular dynamics simulation, Desalination of sea water

李海兰, 贾玉香, 胡仰栋. 以荷电化碳纳米管构筑正渗透膜用于海水淡化的分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2012, 28(03): 573-577.

LI Hai-Lan, JIA Yu-Xiang, HU Yang-Dong. Molecular Dynamics Simulation of the Desalination of Sea Water by a Forward Osmosis Membrane Containing Charged Carbon Nanotubes[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2012, 28(03): 573-577.

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201112191

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2012/V28/I03/573

参考文献

(1) Van der Bruggen, B.; Lejon, L.; Vandecasteele, C. Environ. Sci. Technol. 2003, 37, 3733.

(2) Miller, J. E.; Evans, L. R. Sandia National Laboratories Report, 2006.
(3) McCutcheon, J. R.; McGinnis, R. L.; Elimelech, M. J. Membr. Sci. 2006, 278, 114.

(4) Mi, B.; Elimelech, M. J. Membr. Sci. 2008, 320, 292.

(5) Gao, C. J.; Zheng, G. J.;Wang, M.;Wang, D.; Gao, X. L.; Zhou, Y. Technol. Water Treat. 2008, 34 (2), 1. [高从堦, 郑根江, 汪锰, 王铎, 高学理, 周勇. 水处理技术, 2008, 34 (2), 1]
(6) Cath, T. Y.; Gormly, S.; Beaudry, E. G.; Adams, V. D.; Childress, A. E. J. Membr. Sci. 2005, 257, 85.

(7) Cath, T. Y.; Childress, A. E.; Elimelech, M. J. Membr. Sci. 2006, 281, 70.

(8) Iijima, S. J. Chem. Phys. 1991, 79, 926.
(9) Patel-Predd, P. Environ. Sci. Technol. 2006, 40 (11), 3454.
(10) Corry, B. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 1427.

(11) Wongkoblap, A.; Do, D. D.;Wang, K. J. Colloid Interface Sci. 2009, 331, 65.

(12) Alessio, A.; Stavros, K. Chem. Eng. Sci. 2008, 63, 2047.

(13) Hummer, G.; Rasaiah, J. C.; Noworyta, J. P. Nature 2001, 414, 188.

(14) Zhu, F. Q.; Schulten, K. Biophys. J. 2003, 85, 236.

(15) Kalra, A.; Garde, S.; Hummer, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2003, 100, 10175.

(16) Dellago, C.; Naor, M. M.; Hummer, G. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 105902.

(17) Wang, J.; Zhu, Y.; Zhou, J.; Lu, X. H. Acta Chimica Sinica 2003, 61 (12), 1891. [王俊, 朱宇, 周健, 陆小华. 化学学报, 2003, 61 (12), 1891.]
(18) Shao, Q.; Huang, L. L.; Lu, X. H.; Lü, L. H.; Zhu, Y. D.; Shen, W. F. Acta Chimica Sinica 2007, 65 (20), 2217. [邵庆, 黄亮亮, 陆小华, 吕玲红, 朱育丹, 沈文枫. 化学学报, 2007, 65 (20), 2217.]
(19) Peter, C.; Hummer, G. Biophys. J. 2005, 89, 2222.

(20) Kobayashi, T.; Nagai, T.;Wang, H.; Fujii, N. J. Membr. Sci. 1996, 112, 219.

(21) Wang, M.;Wu, L. Y.; Mo, J. X.; Gao, C. J. J. Membr. Sci. 2006, 274, 200.

(22) Wang, M.;Wu, L. Y.; Zheng, X. C.; Mo, J. X.; Gao, C. J. J. Colloid Interface Sci. 2006, 300, 286.

(23) Jia, Y. X.; Li, H. L.;Wang, M.; Hu, Y. D. Sep. Purif. Technol. 2010, 75, 55.

(24) Jia, Y. X.; Li, Y.; Hu, Y. D. Acta Phys. -Chim. Sin. 2011, 27, 228. [贾玉香, 李燕, 胡仰栋. 物理化学学报, 2011, 27, 228.]
(25) Li, Y.; Jia, Y. X.; Hu, Y. D. Journal of Harbin Engineering University 2011, 32, 242. [李燕, 贾玉香, 胡仰栋. 哈尔滨工程大学学报, 2011, 32, 242.]
(26) Alexiadis, A.; Kassinos, S. Chem. Rev. 2008, 108, 5014.

(27) Striolo, A. Nanotechnology 2007, 18 (47), 475704.
(28) Meng, L. Y.; Li, Q. K.; Shuai, Z. G. Sci. China Ser. B-Chem. 2008, 38 (12), 1063. [孟令一, 李启楷, 帅志刚. 中国科学B 辑: 化学, 2008, 38 (12), 1063.]

[1]	吴昆杰, 张永毅, 勇振中, 李清文. 碳纳米管纤维的连续制备及高性能化[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2106034 - .
[2]	贺文娅, 程虎虎, 曲良体. 烯碳纤维基能源器件的研究进展[J]. 物理化学学报, 2022, 38(9): 2203004 - .
[3]	张则尧, 姚艺希, 李彦. FeCo/MgO催化生长体相单壁碳纳米管的直径调控[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2101055 - .
[4]	沈晓帆, 王晓娜, 俞能晟, 杨薇, 周雨融, 石艳红, 王玉莲, 董立忠, 邸江涛, 李清文. 聚吡咯@二氧化锰/碳纳米管薄膜电极的制备及在高性能锌离子电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2006059 - .
[5]	邹菁云, 高冰, 张小品, 唐磊, 冯思敏, 金赫华, 刘碧录, 成会明. 一维碳纳米管/二维二硫化钼混合维度异质结的原位制备及其电荷转移性能[J]. 物理化学学报, 2022, 38(5): 2008037 - .
[6]	曹冲, 张裴, 曹立冬, 刘铭鑫, 宋玉莹, 陈鹏, 黄啟良, 韩布兴. 液滴在超疏水植物叶面的沉积：实验和分子动力学模拟[J]. 物理化学学报, 2022, 38(12): 2207006 - .
[7]	陈文琼, 关永吉, 张姣, 裴俊捷, 张晓萍, 邓友全. 外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(10): 2001004 - .
[8]	刘亚, 郑磊, 谷巍, 沈炎宾, 陈立桅. 原位聚合表面修饰的金属锂负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1): 2004058 - .
[9]	熊辉, 谢歆雯, 王苗, 侯雅琦, 侯旭. 网状骨架CVD生长碳纳米管用于重盐水脱盐[J]. 物理化学学报, 2020, 36(9): 1912008 - .
[10]	安惠芳, 姜莉, 李峰, 吴平, 朱晓舒, 魏少华, 周益明. 基于水凝胶衍生的硅/碳纳米管/石墨烯纳米复合材料及储锂性能[J]. 物理化学学报, 2020, 36(7): 1905034 - .
[11]	许可, 王晋芬. 基于一维和二维纳米材料的神经界面构筑[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 2003050 - .
[12]	刘杨, 段小洁. 基于碳纳米材料的神经电极技术[J]. 物理化学学报, 2020, 36(12): 2007066 - .
[13]	张树辰,张娜,张锦. 碳纳米管可控制备的过去、现在和未来[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 1907021 - .
[14]	张涛,仇运广,罗启超,程曦,赵丽芬,严昕,彭浡,蒋华良,阳怀宇. 钙离子和镁离子浓度变化对磷脂酰乙醇胺-磷脂酰甘油双分子层膜的影响[J]. 物理化学学报, 2019, 35(8): 840 -849 .
[15]	李路路,姚路,段力. 基于共价有机框架复合材料的锂硒电池应用[J]. 物理化学学报, 2019, 35(7): 734 -739 .

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