由膜表面上石墨烯片的布朗运动和非布朗运动引起的纳米水泵
摘要
节能水泵和高效半透膜是反渗透技术的核心。应用纳米技术来提高性能是近年来的一种时尚。基于水自发渗透碳纳米管两侧的竞争效应,我们设计了一种利用天然渗透性的水泵,通过铺设在膜上的小石墨片削弱一侧的竞争力。根据分子动力学模拟,观察到持续的净通量。片材的运动方式是性能的关键。对于没有任何动力载荷的纯布朗运动,我们发现每纳秒通量有两个水分子,而单向运动引起的通量可以增加数倍,具体取决于外力。布朗运动类似于渗透压的物理机制,单向运动表现出很好的性能,在反渗透方面有着巨大的应用。我们的工作创造性地提出了一种通过纳米通道泵送水分子的新策略,对纳米流体设备设计者有启发。
背景
海水淡化理论上可以提供源源不断的清洁水,是解决全球缺水问题的一个亮点。然而,目前的技术并不完美。海水淡化有两种不同的方法。第一种是蒸馏,通过加热海水然后冷却蒸汽来获得纯水。相变可以完全去除杂质,但能耗高且成本高。另一种是反渗透 (RO),驱动海水通过半透膜,该膜对水可渗透但对离子不可渗透。得益于半透膜和压力水泵的改进,反渗透技术成熟,应用广泛[1]。然而,反渗透仍然是能源密集型的 [2,3,4]。这是因为 RO 系统需要保持高压降来弥补渗透压力并驱动海水通过半透膜。许多科学家认为,“为了使海水淡化能够应对 21 世纪的水资源挑战,RO 膜技术需要逐步改变”[5]。他们提出碳纳米管 (CNT) 是一种理想的水通道,具有选择性、高效率和低能源成本等优点 [6],并且在纳米流体通道方面具有巨大的应用潜力 [7,8,9,10]。然而,仅仅提高反渗透膜的性能有利于反渗透的有效性,但对于节能无用,因为目前的反渗透海水淡化已经接近热力学极限[4]。需要更高效的驱动方法来替代高压泵[11]。
对于连接两个水库的 CNT 通道,由于布朗运动,水分子总是可以自发地进入通道。然而,由于不存在净水通量,CNT 通道两侧的渗透效应相互抵消。由于净通量是由CNT通道两侧布朗运动的竞争结果来考虑的,因此增强或削弱一侧的竞争力应该是一种有效的抽水方法。在之前的工作中,压降 [12, 13]、温差 [14, 15] 和电场 [16] 是提高一侧竞争力以创造净水通量的常用策略。尽管如此,在利用自然渗透性的情况下,削弱竞争力似乎是一个更好的选择。
实际上,控制纳米流体传输与广泛的应用有关,从能量存储到生物传感器 [17,18,19,20,21,22,23],这仍然是一个挑战。在此,我们设计了一种新型水泵,其膜一侧带有小石墨片,目的是打破两个水库布朗运动的平衡,类似于对称破坏系统。薄片有两种运动模式:热运动和单向运动,分别对应布朗运动和非布朗运动。通过模拟计算,削弱了顶层竞争力,诱导了自下而上的水通量。此外,对于布朗运动,水通量接近水通道蛋白 [24, 25] 每纳秒接近 2,表明可能在生物膜中应用。小片通过碳纳米管从下到上驱动水,这类似于渗透压的物理机制。此外,在单向运动中,通量数量可以显着增加数倍,具体取决于纸张移动速度或外力。随着该技术进入分子尺度操作,例如通过光镊 [26] 和原子力显微镜 [27] 对表面纳米粒子的操纵,我们的工作显示出调节水渗透对称性的可能性,这为水泵开辟了一种新方法。
模型与仿真方法
模拟系统的快照如图 1 所示。我们使用一个 (6, 6) CNT(长度为 2.56 nm,直径为 0.81 nm)和两个平行的石墨片(5.1 × 5.1 nm
2
) 以构成渗透膜。在如此狭窄的通道中,水分子呈单列排列[6]。由272个碳原子组成的小石墨片紧密地放置在膜上。强烈的碳-碳相互作用导致小片吸附在膜上。事实上,在我们的模拟过程中,薄片和膜的平均距离约为 0.34 nm。在布朗运动中,我们将小石墨片的温度设置为 100 到 500 K。它会在靠近 CNT 入口的膜上振荡,与附近的水分子发生碰撞。三千三百二十八个水分子充满了通道和两个水库。水的温度固定为 300 K。对于单向运动模式,我们对小片的每个碳原子施加额外的加速度以实现额外的力,其中 0.1 nm/ps
2
对应于 2 pN。附加力沿 x 方向。水通量是由系统的不对称性引起的。由于三个维度上的周期性边界条件,薄片将不断通过CNT入口附近,并诱导稳定的水流和通量。
<图片> 结果与讨论
石墨片的布朗运动
首先,我们研究了板材在不同温度下的布朗运动模式。为了测量通过 CNTs 诱导水通量的能力,根据之前的工作 [31, 32],我们将向上通量和向下通量定义为沿 + z 传导通过管子的水分子的数量 和- z 方向,分别。 Flow =upflux + downflux,flux =upflux - downflux,单向传输效率η 可以通过η计算 =通量/流量。图 2 显示了作为片材温度函数的水流量和通量。在我们最初的假设中,热片材加热周围的水,然后沿 CNT 产生温差以驱动水通过通道。然而,模拟中的水通量是自下而上的,这与我们的预期相反。此外,水通量对片材温度不敏感。此外,在我们的模拟过程中,小片的温度波动在 10 K 的范围内。实际上,由于 NVT 模拟的温度控制,片材与周围溶液之间的热交换很弱,可以忽略不计。如图 2 所示,无论片材温度如何,我们总能以每纳秒约 2 个水分子的速度获得连续的净通量,这接近水通道蛋白通道中 1.8 的实验值 [24, 25],表明其潜在应用在生物系统。同时,总水流量几乎与片材温度无关,应与无片材的情况相似。
<图片> 结论
总之,我们通过分子动力学模拟提出了一种新的水泵策略,并基于自发水渗透率实现了可观的净水通量。由于布朗运动,水分子主动进入碳纳米管通道,碳纳米管两侧相互竞争和抵消。在我们的研究中,在膜上移动的小片会削弱一侧的竞争力并导致连续的净通量。在模拟过程中,我们发现板材的运动模式是性能的关键。纯布朗运动会在 2 ns
−1
附近引起小的稳定净水通量 这与板材温度无关,而单向运动可以产生明显更高的通量,具体取决于板材上的驱动力。此外,随着驱动力的增加,水易位时间线性减少,对应于水流或通量行为。此外,单向运动对水动力学和热力学的影响更大。因此,我们创造性地提出了利用天然水的渗透性,通过在膜上铺设小石墨片来实现,这将有助于反渗透技术。
缩写
- CNT:
-
碳纳米管
- MD:
-
分子动力学
- RO:
-
反渗透