聚酰胺反渗透复合膜的多尺度模拟研究

In this project, we develop a multiscale simulation method to investigate the structure, the permeation, and the antifouling performance of the reverse osmosis polyamide (PA) composite membrane. A simple and accurate multi-scale simulation model, which can reflect the interaction nature of the PA membrane, is constructed by combining the microscopic all-atom molecular dynamics simulation method with the meso-scale coarse-graining method. Then we study the structure of the PA membrane, the diffusion and permeation mechanism of salt solution in the PA membrane, the relationship between the structure of nanoadditives and the performance of nanocomposite membrane, and the interaction mechanism between PA membrane and extracellular polymers. The application intends to solve three problems: first, the establishment of the all-atom/coarse-grained multiscale simulation model for PA system; second, the revelation of the relationship between the structure and the performance of PA membrane; third, the revelation of the nature of biological pollutions of PA membrane. The research results will be served as a theoretical guidance for fabricating novel reverse osmosis membrane with high water flux and antifouling performance.

本项目拟利用并发展全原子-粗粒化组合的多尺度计算机模拟方法，研究聚酰胺反渗透复合膜的结构、渗透机理和抗生物污染性。基于微观的全原子分子动力学以及介观的粗粒化分子动力学方法，建立一种简单的、能够准确反映聚酰胺反渗透复合膜体系相互作用本质的全原子-粗粒化组合的多尺度模拟模型。通过建立的多尺度模型研究聚酰胺反渗透复合膜的微观结构以及盐水溶液在膜中的扩散和渗透机理，明确纳米粒子的结构与聚酰胺复合膜性能之间的关系，明晰聚酰胺复合膜与胞外聚合物的微观作用机制。本申请拟解决三大难题：一是应用于聚酰胺体系的全原子-粗粒化组合的多尺度模拟模型的建立；二是明确聚酰胺复合膜的结构与性能之间的关系；三是揭示聚酰胺复合膜生物污染性的本质。这些研究结果将为新型的、抗生物污染的高性能反渗透复合膜的开发提供可靠的理论指导。

淡水资源危机是制约着人类生存与可持续发展一个的重要挑战，而利用反渗透技术对海水或苦咸水进行脱盐处理从而获得淡水有望缓解甚至最终解决这一全球性难题。在反渗透工艺中，最重要同时也是最核心的环节就是反渗透膜的性能表现，它直接影响着整个反渗透过程的应用范围，以及生产成本。到目前为止，市面上应用最为广泛的是芳香族的聚酰胺型反渗透复合膜，其中位于顶部的超薄聚酰胺活性层决定了此复合膜的水通量与分离性能。因此，对聚酰胺活性层进行深入研究将有助于设计和研发新型的高效反渗透膜。然而，几乎所有试图提高聚酰胺活性层的渗透率与分离性能的努力都会陷入此消彼长的困境中，即渗透率的提高往往以牺牲分离性能为代价，反之亦然。因此，要想彻底解决这一问题，就要求我们深入理解水分子、盐离子及其它溶质分子在聚酰胺分离层中的运动行为，从分子或原子尺度上去揭示其表观行为背后的物理化学机理。.在本项目中，我们以C++和Python作为建模软件开发的主要计算机语言，结合分子动力学（MD）模拟方法，对反渗透过程中聚酰胺层内多种物质运动行为所涉及到的物理化学机制进行了研究。取得了以下研究成果：1）开发了可自主定制构筑单元和力场的通用聚酰胺层建模工具MembrFactory；2）通过对水分子和盐离子在聚酰胺层中自扩散行为的研究，揭示出二者在膜内运动能力的巨大差异在一定程度上造成聚酰胺膜具有较高的截盐率；3）利用非平衡态分子动力学模拟，揭示了温度对聚酰胺反渗透膜水通量的正反两方面影响，很好阐述了实验现象；4）对于表面修饰聚乙二醇亲水涂层和两性离子的聚酰胺膜进行了研究，揭示了二者抗污染行为的相关机理；5）利用MembrFactory软件包构建了碳纳米管不同取向掺杂的聚酰胺复合膜模型，揭示出碳纳米管掺杂聚酰胺膜水通量提升的内在机制。以上研究结果对于高水通量、高效抗污染聚酰胺反渗透膜结构的设计具有重要的指导意义。