温度及表面粗糙度影响纳米尺度下水蒸发速率和动力学行为的理论研究

发布时间：2021-04-29 11:35

　　水是生命之源,对人类的生存和生态可持续起到了重要的作用。水的蒸发是水循环中最重要的环节之一,是水资源再生的重要途径。在自然界和工业生产、人类生命活动中,水的蒸发几乎无处不在。从17世纪开始,科学家们就开始了对蒸发的一系列研究,借助实验手段观测蒸发的同时,也提出了许多与蒸发量及其影响因素相关的理论模型。随着研究水平的不断提高,研究尺度的不断缩小,大量的研究发现微观条件下界面水的蒸发与宏观水体的蒸发具有明显不同的特性。在微观纳米尺度下界面水会受到来自表面的相互作用以及水分子之间的相互作用,这就使得水的蒸发会受到更多因素的影响,从而水的蒸发变得更加复杂。此外,深入研究纳米尺度下水的动力学行为（如水中的热噪声及水分子的转动行为等）不仅有助于理解纳米尺度下水分子的蒸发性质,对于理解各种生化过程也具有十分重要的作用。影响界面水蒸发的因素有很多,比如最常见的温度、表面亲疏水性、表面热传导性、表面粗糙度、蒸发溶液的组成等等。本文利用分子动力学模拟的方法,首先研究了纳米尺度下温度对于少量水在平整亲水表面上蒸发的影响。对于体相水而言,水的蒸发速率随温度呈指数变化。然而我们的研究发现,在纳米尺度下,薄水层的... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)上海市

【文章页数】：123 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 引言
    1.1 研究背景
        1.1.1 水蒸发的重要性
        1.1.2 水蒸发及相关过程中的动力学研究进展
        1.1.3 水蒸发的影响因素
    1.2 论文的研究方法和内容
        1.2.1 研究方法
        1.2.2 研究内容
    1.3 论文的组织结构
第2章 研究方法简介
    2.1 引言
        2.1.1 分子动力学的模拟步骤
    2.2 分子动力学中的相互作用
        2.2.1 成键相互作用
        2.2.2 非成键相互作用
    2.3 水分子模型
    2.4 分子动力学中的积分方法
    2.5 周期性边界条件
    2.6 热力学系综
        2.6.1 NVE系综
        2.6.2 NVT系综
        2.6.3 NPT系综
第3章 温度对少量水在平整亲水表面蒸发的影响
    3.1 引言
    3.2 模拟体系与方法
        3.2.1 模型的构建
        3.2.2 模拟参数的设置
    3.3 模拟结果与讨论
        3.3.1 不同温度下完全均匀的亲水表面上水蒸发速率的统计结果
        3.3.2 不同温度下最外层水分子的能量统计
        3.3.3 不同温度下最外层水分子的氢键性质
        3.3.4 不同温度下最外层水分子的转动性质
        3.3.5 采用不同电荷晶格参数的底板模型验证
    3.4 本章小结
第4章 温度对少量水蒸发影响的进一步分析——温度和分子转动、氢键及热噪声的关联
    4.1 引言
    4.2 模拟体系与方法
    4.3 模拟结果与讨论
        4.3.1 不同温度下水中热噪声与氢键及水分子转动行为的比较
        4.3.2 水分子的转动对于周围氢键网络的影响
        4.3.3 水中热噪声的矢量方向与水分子偶极方向的比较
        4.3.4 水中热噪声的功率谱研究
    4.4 本章小结
第5章 表面粗糙度对亲水表面上少量水蒸发的影响
    5.1 引言
    5.2 模拟体系与方法
        5.2.1 模型的构建
        5.2.2 模拟参数的设置
    5.3 模拟结果与讨论
        5.3.1 粗糙度的选取及主要影响因素
        5.3.2 不同粗糙表面上少量水的蒸发速率及水分子分布情况
        5.3.3 不同粗糙底板上最外层水分子的能量统计
        5.3.4 稳定分布在表面凹陷部分时最外层水分子的形态分析
        5.3.5 电荷量为0.4e的粗糙底板上少量水的蒸发
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 主要内容总结
    6.2 工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of Na and Cl ions on water evaporation on graphene oxide[J]. Xi Nan,Yu-Wei Guo,Rong-Zheng Wan.  Nuclear Science and Techniques. 2019(08)
[2]蒸发结晶技术在高含盐废水零排放领域的应用[J]. 段金凤.  当代化工研究. 2018(01)
[3]蒸发脱盐技术在污水处理中的应用[J]. 李瑞民,孔松涛,王堃.  广东化工. 2015(09)
[4]蒸发脱盐技术在工业废水中的应用及发展方向[J]. 王德龙,王官均,张博廉,汪廷洪,操卫平.  广东化工. 2013(18)
[5]Asymmetric transportation induced by thermal noise at the nanoscale[J]. WAN RongZheng,HU Jun & FANG HaiPing*Division of Interfacial Water and Laboratory of Physical Biology,Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,P.O.Box 800-204,Shanghai 201800,China.  Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2012(05)



本文编号：3167453