有机质腐殖酸膜分离材料设计分子动力学模拟研究.pdf

摘要

随着全球人口的迅速增长和工业化的不断发展，淡水资源的短缺问题愈发凸显，

成为制约人类可持续发展的严峻挑战之一。因此人们开始大力开发废水处理技术，

而膜分离技术作为一种新兴的水处理方法，以其高效、节能、环保等特点受到广泛

关注。目前膜材料的研究主要集中在已开发的功能高分子膜材料和无机膜材料，而

适用于制备分离膜的高分子材料有限，且这些材料制成的分离膜的性能又各有其长

处和不足。

腐殖酸（HumicAcids，HAs）是一类广泛存在于自然界中的有机质化合物，其

分子结构复杂多样，包含丰富的官能团。这些特性赋予了腐殖酸在水处理领域潜在

的应用价值。但由于实验条件的局限性，不能快速准确的建立腐殖酸构造与性能的

关系，对此，本研究将分子动力学方法（MolecularDynamics，MD）和密度泛函理

论（DensityFunctionalTheory，DFT）相结合，通过分析其动力学和热力学性质来阐

明其作为反渗透膜材料的可行性。研究表明腐殖酸膜具备良好的机械强度，通过交

联还可以实现对其孔径的调控。通过非平衡动力学（Non-equilibriumMolecular

Dynamics，NEMD）模拟分析三种交联强度的腐殖酸膜在海水淡化中的表现，交联

程度与水通量成正比，交联程度从低到高的腐殖酸膜的脱盐率分别达到了100%、

+-

99.3%和93.2%，分别达到过滤、超过滤和反渗透的商用效果。Na、Cl及水分子的

运动轨迹显示腐殖酸膜脱盐过程中的“跳跃”行为。一维和二维自由能结果也揭示

了腐殖酸膜在海水淡化过程中除了物理转移还存在着与膜的相互作用。

此外，为了探索腐殖酸膜作用于高盐废水的可能性。本文通过非平衡动力学系

2+2+++

统研究了中度交联程度的腐殖酸膜对于12种不同阳离子（Mg、Ca、Li、Na、

++2-2-----

K和NH）和阴离子（CO、SO、F、OH、Cl和NO）盐溶液中的水淡化性能以

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及分子层面的截留机制。研究结果表明，在不同浓度盐溶液条件下，腐殖酸膜均具

有稳定的水通量和截留率。特别的，相比阳离子对离子水合强度和膜性能双重依赖，

阴离子首先取决于水合尺寸，其次是结合氢能力。

本文基于密度泛函理论和分子动力学模拟方法系统研究了腐殖酸膜水淡化性能，

继而研究了其对不同离子的分离机制，为其作为反渗透膜分离材料提供了思路。

关键词：腐殖酸分子动力学模拟密度泛函理论热力学分离机制

Abstract

Astheglobalpopulationrapidlyincreasesandindustrializationcontinuestodevelop,

theshortageoffreshwaterresourcesbecomesincreasinglyprominent,posingasevere

challengetosustainablehumandevelopment.Therefore,therehasbeenasignificanteffort

todevelopwastewatertreatmenttechnologies,withmembraneseparationtechnology

emergingasapromisingmethodduetoitsefficiency,energy-saving,andenvironmental

friendliness.Currently,researchonmembranematerialsmai