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摘 要

膜技术是先进的环境治理技术，其已经在废水、废气处理等领域发挥着重要的作用。膜技术更是解决世界范围缺水，提高用水质量的重要技术。膜分离技术在近几年取得了许多重要的进步，也在工业上得到了大规模应用。

当前大多数流体在膜孔道内的传递机理都是以经验为主，不能用于高效膜材 料的设计。分子模拟手段可以从分子层面考察流体的传递行为，以碳纳米管为膜 孔道模型，分析流体与界面的相互作用，与生物通道内流体的传递行为相比较， 抽提流体在界面性质影响下的膜孔道内的传递机制，指导新型高性能膜材料的设 计。

本研究采用分子动力学模拟方法，以碳纳米管材料作为孔道模型考察两种不同管径下F和Cl离子水化行为在不同电场下的影响情况。

经过研究我们知道，水分子取向角的分布概率随着电场和管径的增大而增大，分布概率随管径的增大幅度比电场大。水化因子越接近1，说明水化层内的水越有序。水化能受电场和碳管管径变化影响较小。

关键词：碳纳米管 膜孔道 电场 分子模拟。

Abstract

The membrane separation is an advanced technology for the control of environmental pollution, and it is playing a significant role in the fields of waste water treatment and waste gas treatment. The membrane separation is also an important technology in dealing with the worldwide lack of fresh water and improving the quality of water. For decades, the membrane technology has made great progress and has been widely applied in large scale in industry.

Nowadays, the transporting mechanisms of fluid in membrane are almost based on experience, and these mechanisms cannot be used for the design of membrane. Molecular simulation can study the fluidic behavior in nanopore from molecular scale. Considering the CNT as the pore model, the interactions between the interface and fluid can be analyzed, and the results can be compared with the fluidic behavior in biological membrane. Further, the mechanisms of fluid transporting in nanopore under the influence of interface can be elucidated. The acquired mechanisms can guide the design of highly efficient membrane for separation.

In this study, molecular dynamics methods to study the carbon nanotube material as two different pore model F and Cl ion hydration behavior in diameter at different farms prejudice.

After the study we know the probability distribution of the orientation angle of the water molecules and the diameter increases with increasing electric field, and the increasing of the probability distribution with diameters significantly is larger than the electric field. Hydration factor is closer to 1, indicating that water hydration layer is more ordered. Hydration energyalmost isn’t affected by the changes in the electric and carbon tube diameter.

Key Words: Carbon Nanotube; Membrane pore; Electric Field; Molecular Simulation.

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1膜技术发展 1

1.1.1膜分离技术的原理 2

1.1.2膜分离特点 2

1.1.3膜的分类 2

1.2碳纳米管 3

1.2.1碳纳米管的基本性能 3

1.2.2碳纳米管的制备方法 4

1.3生物膜离子通道 5

1.3.1离子通道的特点 5

1.3.2氯离子通道的研究 6

1.4本文的研究方法与内容 6

第二章 研究方法 8

2.1分子动力学模拟的理论基本 8

2.1.1力场 8

2.2.2牛顿运动方程及其数值解法 9

2.2位能模型 10

2.3模拟细节 10

第三章 结果与讨论 12

3.1碳管内水分子的径向密度分布 12

3.2碳管内水分子的取向分布 14

3.3水化因子分析 16

3.4水化能分析 17

第四章 结论与展望 18

4.1 结 论 18

4.2 展 望 18

参考文献 20

致 谢 22

第一章 绪 论

在20世纪，科学技术日新月异、工业生产发展迅猛，人们的生活水平也随之变得相当的快捷和舒适。可是，在科技的进步、工业发展的同时，也引起了非常严重的环境破坏问题，如全球温暖化的问题、生态环境破坏等；而且，地球的水资源、矿物资源以及化石能源等也很明显地日趋枯竭。这些环境、能源、资源等方面的问题，对人类社会的可持续发展甚至生存问题造成了严重地影响和困扰。同时，给人类带来很多无法解决的难题。世界的科技工作者和各界各国人士都在呼吁为人类社会的可持续发展而努力。为推行可持续发展战略，除了制定相应的政策与法规之外，我们还要开发可以支撑可持续发展战略的技术体系尤为重要。

想要实现人类社会的可持续发展，首先就要解决能源、资源和环境等几大方面所面临的问题。在相应支撑技术体系开发中，就环境问题而言，主要要进行“绿色”工业生产技术和环境友好产品的开发、环境污染的治理、以及全球温暖化等问题的解决。对于资源问题，主要要进行资源的有效利用、水资源的保护和治理、以及资源的回收再用等；对于能源问题，主要要进行新能源(替代能源)的开发、以及节能技术的开发等。在这些支撑技术体系中，分离技术特别是膜分离技术将起到十分重要的作用。

1.1膜技术发展

膜技术是上世60年代后迅速崛起的一门分离技术,它是利用特殊制造的具有选择透过性能的薄膜，在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩的一种分离方法。目前，这种分离方法已经广泛地应用到诸多行业中，如电子工业、水处理、制药、环境保护、生物工程、化工、食品及纺织等。膜技术因为其高效、实用、可调、节能和工艺简便等优点，可产生极高的经济效益，在21世纪的工业技术改革中起战略作用，并被认为是最具发展前途的高新技术之一^[1]。现在有许多膜技术如反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)、纳滤(NF)、电渗析(ED)、渗透蒸发(PV) 等已经在许多化工企业中得到利用，其他如双极膜(BPM)等也有技术开发上的进展。

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