一種石墨烯表面納米孔洞應用于海水淡化的理論研究方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于海水淡化領域中的理論預測技術，設及評價石墨締作為膜組件應用于 反滲透膜的工作機理。
【背景技術】
[0002] 我國經濟在過去二十多年的改革開放中取得了巨大的成就。工業快速發展和人民 生活水平迅速提高的同時，伴隨著大量工業和生活廢水的產生。運些廢水污染了很多本就 緊張的淡水資源。而今后社會的繼續發展需要更多的水資源。因此現有的水資源不足W支 撐社會的進一步需求。水資源短缺成為限制社會發展的根本問題。
[0003] 膜分離技術是利用膜對溶液中個組分選擇透過性的差異，來實現對組分溶質和溶 劑的分離。該方法高效，節能，環保，分子級過濾及過濾過程簡單、易于控制等。因此，已廣 泛應用于食品、醫藥、生物、環保、化工、冶金、能源、石油、電子等領域，是為當今分離科學中 最重要的手段之一。同時是當今解決水資源短缺的首選方法。在沿海地區，膜法海水淡化 是緩解運些地區水資源短缺的主要手段。膜法污水資源化是當前解決水污染問題、實現污 水資源化利用的首選技術。同時膜分離技術也被作為新一代自來水廠的凈化技術，成為保 障飲用水安全的核屯、技術。
[0004] 膜是膜分離技術中的核屯、元件。根據組成膜的材料，膜可W分為無機膜和有機膜。 根據膜表面孔徑的大小，膜依次可W分為微濾膜，超濾膜，納濾膜，反滲透膜。海水淡化膜主 要是反滲透膜。該類膜的孔徑只有幾納米，能夠有效地去除水中的溶解鹽類。該類反滲透 膜由多孔支撐層、脫鹽層和功能修飾層等構成。無紡布和聚諷基膜構成R0膜的多孔支撐 層，為反滲透膜的制備和應用提供了界面反應環境、力學強度和化學與熱穩定性；脫鹽層由 芳香聚酷胺組成，芳香聚酷胺的品質決定反滲透膜的離子選擇性和水透過能力。運些薄膜 上的小孔極為致密，需要非常大的壓力迫使海水通過薄膜，需要消耗不少的能源。進一步研 究發現，在芳香聚酷胺層附近有顯著的鹽離子的濃度極化現象，大量堆積的鹽離子極大的 減緩了水流通過薄膜上小孔的速率，并發現極化程度與脫鹽層的厚度成反比。 陽〇化]石墨締是人類迄今為止找到的最薄的二維膜并具有非常大的機械強度。因此制備 基于石墨締的脫鹽層將極大的降低濃度極化現象并提高海水淡化膜的工作效率。麻省理 工學院材料科學與工程學院副教授Grossman首次從理論上提出通過精確控制多孔石墨締 的孔徑并對小孔邊緣修飾適當的化學基團，使其能夠排斥或吸引水分子。石墨締就如同篩 子一樣快速地濾掉海水中的鹽，只留下水分子。新工藝的關鍵是非常精確地控制石墨締孔 桐的大小。在石墨締表面制備納米孔桐有很過多方法，例如，刻蝕，離子束轟擊，電子束轟擊 等。運些方法制備出的孔桐過大或孔徑分布不佳。橡樹嶺國家實驗室研究員Vlassio址等 人通過氧等離子體（oxygenplasma)與石墨締的短暫接觸，在石墨締表面氧化出大約1皿 的孔桐。并通過實驗方法驗證該孔桐可W濾掉鹽溶液中的鹽分離子。運些實驗技術驗證了 帶有納米孔桐的石墨締在海水淡化中應用的可行性。但是很難從微觀角度直接觀察到納米 孔桐對海水中鋼離子和氯離子的濾過過程。
[0006] 分子動力學模擬是一種常用的理論模擬方法。廣泛應用于從微觀角度直接研究各 種現象。例如，研究高分子膜，石墨締，氧化石墨締，石墨烘等體系中的納米孔桐。探討運些 孔桐濾過鹽水中鹽分離子的可行性。在分子動力學模擬基礎上，結合自由能計算方法，例如 傘形采樣（umbrellasampling),微元反應動力學（metadynamics)等。該方法大量應用于 研究各種離子通道，計算離子穿越通道時的自由能曲線，尋找穿越過程中的一些亞穩態，分 析運些亞穩態結構。得到自由能最高點的位置，鎖定穿越過程中關鍵殘基的位置。并得到 穿越過程的能壘高度，在此基礎上計算穿越速率。由于通道中的離子穿過的方式不確定，可 能是一個離子過完第二個離子再過，也可能是兩個離子一起協同通過，此時會用二維自由 能曲面來表示。另外通過計算不同種離子穿越通道的自由能曲線，可W比較運些離子穿越 孔桐的難易程度。運種方法已廣泛的應用于研究各類離子，小分子穿越多種通道蛋白內部 的孔桐。然而使用該方法研究離子通過石墨締表面孔桐的工作則鮮有報道。
[0007] 本項目正是立足于此，通過應用分子動力學模擬結合自由能計算方法，研究鋼離 子和氯離子穿越石墨締表面納米孔桐的過程。計算石墨締表面納米孔桐中水分子，鋼離子， 氯離子，鋼-氯離子對的通過機理。探討鋼離子和氯離子通過孔桐的相關性。深入分析不 同壓力下，各種尺寸孔桐的拒鹽機理（SaltRejection)。拓展我們對石墨締作為脫鹽層在 海水淡化方面的認識。為今后計算機輔助膜結構設計提供理論基礎。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的是針對上述存在的問題，提供一種理論預測超濾膜與小分子污染物 結合強度的方法，W使評估超濾膜的工作效率。
[0009] 為實現本發明所提供的技術方案包括W下步驟：
[0010] 1)選取含有納米孔桐的石墨締作為分離膜，選取鋼離子和氯離子穿越石墨締表面 納米空桐，通過Qie血raw和VMD建模。
[0011] 2)采用分子動力學模擬軟件NAMD模擬體系在溶劑中的運動。在該程序中使用 CHARMM立場描述體系中各個分子之間的相互作用。應用周期性邊界條件。使用Langevin動 力學和Langevin活塞壓力控制，將溫度和壓強保持在298K和化ar。使用Verletr-RESPA 算法對運動方程進行積分。采用SHAKE算法對所有包含氨原子的共價鍵進行限制。對于非 鍵相互作用采用應用截斷，靜電相互作用采用PME方法處理。
[0012] 3)選取反應坐標，采用Adaptivebiasingforcemethod方法計算離子穿越石墨 締表面納米孔桐時的自由能變化。
[0013] 4)通過W下公式計算出兩個小分子的結合自由能常數。
[0014]
[0015] 本發明中采用的理論模擬方法可W預測鋼離子和氯離子穿越石墨締表面納米孔 桐時的速率常