《“ZIF-8/碳納米管陣列”膜的構建及分子動力學模擬研究》是依託北京林業大學，由王璐瑩擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：“ZIF-8/碳納米管陣列”膜的構建及分子動力學模擬研究
- 依託單位：北京林業大學
- 項目負責人：王璐瑩
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
同時具有高選擇性和高通量的膜是膜分離研究的重點之一，開發特殊孔結構和性能的新型膜材料是破解這一問題的關鍵。本項目擬利用ZIF-8型金屬-有機骨架材料和碳納米管（CNT）陣列構建一種新型分離膜—“ZIF-8/CNT陣列”膜，以高效分離液體混合物：ZIF-8的均一、納米級多孔結構對與其孔徑相當的小分子有高選擇性，同時集成CNT陣列的高傳質速率提高滲透通量。本項目通過在CNT陣列表面生長ZIF-8獲得“ZIF-8/CNT陣列”膜，並評測其結構和分離性能：通過改變CNT陣列預處理、ZIF-8生長工藝和熱處理條件探究對膜結構和分離性能的調控規律。本項目進一步基於分子動力學模擬構建“ZIF-8/CNT陣列”膜的分子模型並研究膜微觀結構和液體傳質過程；利用模擬實驗有助於預測膜性能或最佳化膜製備/分離實驗。本項目實現兩種納米多孔材料與膜分離集成，構建高性能的“ZIF-8/CNT陣列”膜，極具未來發展前景。
結題摘要
以具有特殊孔結構的多孔材料作為新型分離材料已成為分離技術領域的研究熱點之一。本項目提出基於ZIFs型金屬-有機骨架材料和碳納米管（CNTs）兩類微孔納米材料設計、製備新型分離材料，並具體研究所製備的新型分離材料的結構性能和分離性能，進一步地採用分子動力學模擬技術深入研究分離過程的傳質過程。本項目的主要研究內容包括：（1）基於ZIF-8材料和/或CNTs製備新型分離材料；（2）通過廣角X衍射儀、掃描電子顯微鏡和比表面積分析儀等手段表征其結構性能，分析製備方法對結構性能的影響規律；（3）系統考察不同分離材料的膜分離或吸附分離性能，探究分離性能的調控及最佳化；（4） 建立可行且可信的分子動力學模擬方法研究CNT膜的傳質過程，分析所得分子級模擬結果研究材料微孔結構與傳質性能的關係。本項目設計、製備多種高性能新型聚醯胺（PA）分離膜，包括PA/ZIF-8納濾膜、PA/ZIF-8(LBL)納濾膜、PA/ZIF-8反滲透膜、PA@MIL納米複合膜，所得改性後的PA複合膜其滲透通量和截留率均優於純PA膜。此外，基於ZIFs材料的優異ZIFs材料的吸附分離性能和膜分離性能，本項目結合CNTs或高分子材料設計合成了多種高性能複合分離材料套用於水處理；包括ZIF-8/MWNTs納米複合材料具備ZIFs核殼結構的改性樹脂微球作為新型吸附劑，以及以碳納米管為基地的新型ZIF-67型分離膜和新型PPSU/ZIF-8微球共混納濾膜。本項目採用非平衡分子動力學模擬研究了在壓差驅動下水溶液透過CNT膜的傳質機理，研究發現不同的分子模擬方法會影響模擬結果且CNT膜內的納米級傳質過程明顯區別於巨觀孔流過程。本項目是基於分離技術與新型納米材料而開展的理論與套用研究，主要目標是探究材料結構對分離性能的最佳化與調控，以及藉助計算機模擬技術從微觀水平上揭示分離過程的傳質機理。本項目的研究成果為設計研製新型分離材料提供了理論基礎，進一步發展了分子動力學模擬套用於研究膜分離過程，有助於指推動新型材料的套用和分離技術的發展。
