石墨烯及其衍生材料海水淡化输运机理研究
发布时间：2022-02-10 06:13
水是生命赖以生存的基本需求,是社会文明得以发展的重要因素。淡水资源紧缺是全球亟待解决的问题,海水淡化是普遍认为能有效且可持续获取淡水的方式。近些年来,二维材料的蓬勃发展开拓了膜分离法海水淡化新的方向,其高效率、低能耗的优势受到了广泛地关注。石墨烯及其衍生材料作为最具代表性的二维材料,研究其中离子溶液的输运过程,一方面对探索纳米尺度下特殊传质现象以及揭示其物理机制等基础科学研究方面具有重要意义;另一方面为二维材料膜结构参数设计提供指导,使其面向海水淡化、水质处理、功能性离子筛分等领域产生更大的应用价值。本文围绕石墨烯及其衍生材料内水分传输与离子迁移两个关键问题,着重在纳米通道不同结构参数、表面性能、外界温度场以及流动方式这几个方面展开讨论,研究其对输运过程的影响。本文通过分子动力学模拟压力驱动离子溶液流经多层氧化石墨烯通道的过程,探讨了纳米材料构型参数（石墨烯片层裂隙宽度、层间距以及层上间隙错位距离）和离子溶液盐分种类（水合半径大小、水合结构变化）对其阻盐性能的影响。建立经典流体力学模型来描述水在多层氧化石墨烯通道内的传输阻力与不同结构参数之间的关系,并着重研究了氧化石墨烯层间通道内的滑...
【文章来源】：武汉大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球用水情况分布图:绿色区域代表所有人都能用到净水;黄色区域代表大部分人(<75%-94.9%)能用到净水;红色区域代表至少有四分之一的人不能用到净水;灰色区?
提高反渗透技术产水效率以及降低使用能耗的关键在于提高反渗透膜材料的膜通量。根据达西定律v P /L 可知，流体流经多孔介质的平均速率v 与施加的压力差ΔP 成正比，而与流程长度 L 成反比。因此对于反渗透膜而言，在同等压力差下，膜的厚度越小，其流通量越大。传统的反渗透膜材料大多为高分子聚合材料，如芳香族聚酰胺等物质，它们目前已达微米级的厚度并且很难在减少厚度的同时还保证其在高压操作条件下的稳定性与脱盐率。为了进一步开发高性能的反渗透膜，人们开始探索介观尺度甚至是纳米尺度的材料，诸如沸石、碳纳米管等材料。慢慢地许多研究开始向二维材料用作反渗透海水淡化方面进行展开，其中最为突出的要数石墨烯及其衍生材料。1.3.1 多孔石墨烯用于海水淡化自从 2004 年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈 盖姆（AndreGeim）和康斯坦丁 诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）从石墨中成功剥离出石墨烯后，便掀起了研究二维材料的浪潮[46, 47]。石墨烯虽然仅有一个原子层厚，但其在导电、导热、力学强
于是在 2014 年，Joshi 等人通过溶液在 GO 膜分隔开的 U 型管中渗透的实验，探究了氧化石墨烯膜对含不同溶质溶液的分离作用[56]。结果发现，GO 膜对溶液中溶质的筛选作用取决于溶质粒子的大小与氧化石墨烯通道尺寸间的关系。如图 1.4 上图所示，当溶液中离子水合半径或分子尺寸大于氧化石墨烯通道的层间尺寸时，GO 膜展现出完全阻隔的特性；只有当溶质粒子的尺寸大小合适才能进入 GO 层间的纳米通道进行传输。清华大学的孙鹏展等人在此之后对各种盐离子在 GO 膜中的渗透过程进行了更加详细的探讨。他们发现 GO 膜对离子的筛选作用主要在于氧化石墨烯表面所带的负电性对溶液中阳离子的静电作用力，因此对于具有不同价态的离子 GO 膜会根据其电荷量进行不同程度的分离[57,58]，结果如图 1.4 下图所示。这些结果进一步证明了氧化石墨烯拥有特殊的二维通道，通过通道的限域作用可以用来有选择性地筛分离子，从而能有效地用于膜分离法海水淡化中[59]。除此之外，氧化石墨烯片层还具有高度调控性，通过调节 GO 膜的相关参数，可以达到从大尺寸有机分子到小尺寸离子的不同情况定向性筛分。前文中提到，GO 膜的结构是由多层被氧化的石墨烯片层堆垛而成，因而溶液在 GO 膜中的流动往往与氧化石
【参考文献】：
期刊论文
[1]海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜. 科学通报. 2016(21)
[2]泊肃叶定律三种推导方法的比较[J]. 窦群,吕松哲. 科教导刊(上旬刊). 2013(05)
[3]我国海水利用发展综述[J]. 詹红丽,郭有智,杨彦,甘奕维,战伟庆. 水利发展研究. 2012(12)
[4]海水淡化技术及其应用[J]. 李长海,张雅潇. 电力科技与环保. 2011(01)
[5]压汽闪蒸海水淡化方法的研究与进展[J]. 侴乔力,金从卓,束鹏程. 热能动力工程. 2009(05)
[6]海水淡化原理及方法综述[J]. 杨钊,王明召. 化学教育. 2008(03)
[7]平行平板微型槽间气体的滑移流动[J]. 韦学勇,卢德江,蒋庄德. 微纳电子技术. 2005(03)
[8]海水淡化中的替代型能源[J]. 熊日华,王世昌. 化工进展. 2003(11)
[9]电渗析技术应用研究进展[J]. 黄万抚,罗凯,李新冬. 中国资源综合利用. 2003(11)
[10]海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J]. 解利昕,李凭力,王世昌. 化工进展. 2003(10)
博士论文
[1]纳米通道水输运与离子筛选的微观力学机理[D]. 王丽雅.中国科学技术大学 2017
[2]石墨烯纳米通道内二维受限水的相态与相变[D]. 朱银波.中国科学技术大学 2017
[3]纳米流体动态润湿行为主动调控的力学机理研究[D]. 李英琪.中国科学技术大学 2017
[4]氧化石墨烯薄膜的选择性传质机制及性能研究[D]. 孙鹏展.清华大学 2016
硕士论文
[1]海冰淡化方法研究[D]. 马佳.天津大学 2006
本文编号：3618391
【文章来源】：武汉大学湖北省211工程院校985工程院校教育部直属院校
【文章页数】：112 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
全球用水情况分布图:绿色区域代表所有人都能用到净水;黄色区域代表大部分人(<75%-94.9%)能用到净水;红色区域代表至少有四分之一的人不能用到净水;灰色区?
提高反渗透技术产水效率以及降低使用能耗的关键在于提高反渗透膜材料的膜通量。根据达西定律v P /L 可知，流体流经多孔介质的平均速率v 与施加的压力差ΔP 成正比，而与流程长度 L 成反比。因此对于反渗透膜而言，在同等压力差下，膜的厚度越小，其流通量越大。传统的反渗透膜材料大多为高分子聚合材料，如芳香族聚酰胺等物质，它们目前已达微米级的厚度并且很难在减少厚度的同时还保证其在高压操作条件下的稳定性与脱盐率。为了进一步开发高性能的反渗透膜，人们开始探索介观尺度甚至是纳米尺度的材料，诸如沸石、碳纳米管等材料。慢慢地许多研究开始向二维材料用作反渗透海水淡化方面进行展开，其中最为突出的要数石墨烯及其衍生材料。1.3.1 多孔石墨烯用于海水淡化自从 2004 年英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈 盖姆（AndreGeim）和康斯坦丁 诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）从石墨中成功剥离出石墨烯后，便掀起了研究二维材料的浪潮[46, 47]。石墨烯虽然仅有一个原子层厚，但其在导电、导热、力学强
于是在 2014 年，Joshi 等人通过溶液在 GO 膜分隔开的 U 型管中渗透的实验，探究了氧化石墨烯膜对含不同溶质溶液的分离作用[56]。结果发现，GO 膜对溶液中溶质的筛选作用取决于溶质粒子的大小与氧化石墨烯通道尺寸间的关系。如图 1.4 上图所示，当溶液中离子水合半径或分子尺寸大于氧化石墨烯通道的层间尺寸时，GO 膜展现出完全阻隔的特性；只有当溶质粒子的尺寸大小合适才能进入 GO 层间的纳米通道进行传输。清华大学的孙鹏展等人在此之后对各种盐离子在 GO 膜中的渗透过程进行了更加详细的探讨。他们发现 GO 膜对离子的筛选作用主要在于氧化石墨烯表面所带的负电性对溶液中阳离子的静电作用力，因此对于具有不同价态的离子 GO 膜会根据其电荷量进行不同程度的分离[57,58]，结果如图 1.4 下图所示。这些结果进一步证明了氧化石墨烯拥有特殊的二维通道，通过通道的限域作用可以用来有选择性地筛分离子，从而能有效地用于膜分离法海水淡化中[59]。除此之外，氧化石墨烯片层还具有高度调控性，通过调节 GO 膜的相关参数，可以达到从大尺寸有机分子到小尺寸离子的不同情况定向性筛分。前文中提到，GO 膜的结构是由多层被氧化的石墨烯片层堆垛而成，因而溶液在 GO 膜中的流动往往与氧化石
【参考文献】：
期刊论文
[1]海水淡化技术应用研究及发展现状[J]. 郑智颖,李凤臣,李倩,王璐,蔡伟华,李小斌,张红娜. 科学通报. 2016(21)
[2]泊肃叶定律三种推导方法的比较[J]. 窦群,吕松哲. 科教导刊(上旬刊). 2013(05)
[3]我国海水利用发展综述[J]. 詹红丽,郭有智,杨彦,甘奕维,战伟庆. 水利发展研究. 2012(12)
[4]海水淡化技术及其应用[J]. 李长海,张雅潇. 电力科技与环保. 2011(01)
[5]压汽闪蒸海水淡化方法的研究与进展[J]. 侴乔力,金从卓,束鹏程. 热能动力工程. 2009(05)
[6]海水淡化原理及方法综述[J]. 杨钊,王明召. 化学教育. 2008(03)
[7]平行平板微型槽间气体的滑移流动[J]. 韦学勇,卢德江,蒋庄德. 微纳电子技术. 2005(03)
[8]海水淡化中的替代型能源[J]. 熊日华,王世昌. 化工进展. 2003(11)
[9]电渗析技术应用研究进展[J]. 黄万抚,罗凯,李新冬. 中国资源综合利用. 2003(11)
[10]海水淡化技术现状及各种淡化方法评述[J]. 解利昕,李凭力,王世昌. 化工进展. 2003(10)
博士论文
[1]纳米通道水输运与离子筛选的微观力学机理[D]. 王丽雅.中国科学技术大学 2017
[2]石墨烯纳米通道内二维受限水的相态与相变[D]. 朱银波.中国科学技术大学 2017
[3]纳米流体动态润湿行为主动调控的力学机理研究[D]. 李英琪.中国科学技术大学 2017
[4]氧化石墨烯薄膜的选择性传质机制及性能研究[D]. 孙鹏展.清华大学 2016
硕士论文
[1]海冰淡化方法研究[D]. 马佳.天津大学 2006
本文编号：3618391
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