硼酸、硼酸盐及其络合物在反渗透膜内扩散过程的分子模拟

利用分子模拟的方法建立了交联的反渗透膜模型,采用分子动力学模拟方法研究了水、氯化钠、硼酸、硼酸盐、山梨醇-硼酸盐络合物在反渗透膜和溶液中的扩散过程,以及其他几种硼酸盐与多羟基化合物（D-甘露醇、N-甲基D-葡糖胺和D-葡萄糖酸钠）的络合物在4种反渗透膜中的扩散过程。分析各粒子的均方位移曲线可得,各粒子在溶液中的扩散系数均大于在膜体系的扩散系数,水分子的扩散系数远大于各溶质分子和离子。与硼酸分子相比,硼酸盐离子与其体积相差不大,但受电荷效应的影响,其扩散系数小于硼酸分子一个数量级。与单络合物相比,双络合物由于分子体积增大,扩散系数更小。因此在反渗透络合强化脱硼过程中应保持过量的山梨醇添加量,以提高其双络合物浓度。在1,3,5-环己烷三甲酰氯/4-甲基间苯二胺（HT/MMPD）反渗透膜中,N-甲基D-葡糖胺-硼酸盐络合物的扩散系数是5种络合物中最低的,D-葡萄糖酸钠-硼酸盐络合物在含有间苯二胺（MPD）单体的膜类型中扩散系数较低,而D-甘露醇-硼酸盐络合物在含有MMPD单体的膜类型中扩散系数较低。由各粒子的轨迹图可知,各粒子在溶液中做较稀疏的无规则扩散运动,在膜内粒子由于受到聚酰胺膜结构的限制做较密集的扩散运动。     

正渗透过程中的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,利用Materials Studio 6.0软件模拟计算了H_2O、Na~+、Cl~-在正渗透膜内的扩散系数。同时模拟研究了三种不同环境温度、溶液浓度下,三种粒子在正渗透膜内扩散系数的变化规律。实验结论与模拟结果一致,即溶液浓度不变的情况下,扩散系数随着温度的升高而增大;环境温度不变的情况下,扩散系数随着溶液浓度的增大而减小。     

超临界二氧化碳扩散行为的分子动力学模拟

二氧化碳分子选用EPM2模型,乙醇分子选用TraPPE-UA模型,采用分子动力学模拟技术,探讨了超临界二氧化碳的自扩散系数及乙醇—超临界二氧化碳体系的无限稀互扩散系数。模拟结果表明,超临界二氧化碳的自扩散系数和乙醇—超临界二氧化碳体系的无限稀互扩散系数均随着温度的升高或压力的降低而增大。     

烷烃在甲醇中无限稀释扩散的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了300 K和10 MPa下,正烷烃(甲烷至正癸烷)在甲醇中无限稀释扩散。模拟得到的甲醇的扩散系数与相近条件下的文献值相近,因此,进一步预测了正烷烃的扩散系数。     

正烷醇在二氧化碳中无限稀释扩散的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究了298 K和10 MPa下,正烷醇(甲醇至正癸醇)在近临界二氧化碳中无限稀释扩散。结果表明,模拟得到的二氧化碳的扩散系数与相近条件下的文献值相近,因此,进一步预测了正烷醇的扩散系数。     

无定形PET中小分子扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究了相对分子质量在32～339范围内小分子在无定形PET中的扩散过程。基于Einstein关系式计算了扩散系数,讨论了模拟时间、密度对扩散系数的影响。结果表明：在较高的温度下,较短的模拟时间内就能观察到均方位移曲线的线性区;而在较低的温度下,需更长的模拟时间。扩散系数随密度增加而降低,聚合物密度越大,所需的模拟时间越长。通过比较扩散系数的计算值与实验值,发现两者的比值在一个数量级范围内,表明建立的聚合物模型可接受且能正确描述小分子在无定形PET中的扩散过程, 为获得迁移模型中关键参数——扩散系数提供了一种近似的计算方法。     

分子动力学模拟研究流体微观结构和扩散性质

通过分子动力学模拟得到了纯水、超临界水以及电解质溶液的微观结构 ,从而对固液相变、离子水化、离子配位数等做出了微观解释与证明。通过分子动力学模拟了有机物在超临界二氧化碳中的扩散系数 ,在几十个研究体系中取得了与实验值较吻合的结果 ,并以此为基础 ,提出了一个普遍化的扩散系数预测方程。通过这些工作 ,既从微观上阐述了现象的本质 ,又在宏观上得到了可方便的应用于工程设计的结果 ,表明了分子模拟作为一种先进的科学研究手段将得到越来越广泛的应用     

氨基酸扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法模拟了298. 15 K正则系综下甘氨酸、丙氨酸等12种氨基酸在水中的扩散过程，扩散系数的计算采用微分-区限变分法。计算结果表明：相同浓度下按不同分子数样本计算得到的扩散系数有较大差别，且分子数越多则模拟结果越接近于实验值。5种氨基酸在水中的扩散系数与文献值相对比，误差小于7%。还用同样的方法模拟了氧气在水中的扩散过程，模拟结果与实验结果吻合也较好。实验表明采用分子模拟手段可以获得具有工业应用价值的扩散系数，从而有助于计算传质学的发展。     

腐蚀介质在金属表面扩散行为的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究了3种介质粒子(Cl-、OH-、H2O)与两种金属氧化膜界面Fe2O3(00-1)、Cr2O3(0 0-1)的交互作用能和它们在这些氧化膜表面的扩散过程。计算结果表明:Cl-与Fe2O3和Cr2O3的交互作用能分别为-8 875、-9 227kcal/mol,而OH-和H2O与Fe2O3的交互能仅仅为-225、-258kcal/mol。Cl-、OH-和H2O在Cr2O3中的扩散系数分别为6×10-5cm2/s、8×10-5cm2/s和3×10-6cm2/s。交互作用能说明:Cl-与金属氧化膜的作用性更强,OH-和H2O与金属氧化膜的作用性相对弱一点,因此交互作用能可以是评价粒子腐蚀性的重要依据之一;扩散系数也是评价粒子对金属腐蚀性的一个指标,但是评价单个粒子对金属的腐蚀性能时不仅取决于其自身的扩散系数,而且还应该与所在溶剂的分子在金属氧化物表面的扩散系数有关。     

含醇溶液中分子扩散系数的分子模拟

利用分子动力学(MD)模拟验证了含醇溶液的无限稀释扩散系数模型和不同浓度溶液的扩散系数模型.选用的溶质分别为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇和甘油,温度为293.15K,压力为0.1MPa.计算结果表明:Dullien和Asfour方程适用于计算甲醇和乙醇溶液的扩散系数DAB;而对于其它醇溶液的扩散系数,Leffler和Cullinan方程较适用.     

凝胶网络中溶剂性质的分子动力学模拟

本文利用分子动力学(MD)方法模拟了三种不同结构的凝胶网络系统,对系统的压力、溶剂的自扩散系数以及溶剂在凝胶不同区域的密度分布等进行了考察。模拟结果表明,被吸收进入凝胶网络的溶剂的性质与纯溶剂的性质有很大的差别,但凝胶结构的不均匀性对凝胶网络中溶剂的性质几乎没有什么影响。     

气体在水中的分子动力学模拟

采用分子动力学（ＭＤ）模拟的方法在常温及工业应用背景条件下对ＣＨ４、ＮＨ３、ＣＯ２、Ｏ２这些气体在水中的结构及扩散情形进行了研究。ＭＤ模拟可以为这些涉及到气体在水中的工业应用情形的机理提供分子水平的解释,同时ＭＤ模拟还可为一些不易实验测定扩散性质的体系提供工程初步设计和过程开发所需的数据。     

Molecular dynamics study of the conformation and dynamics of precisely branched polyethylene

The conformation and dynamics of precisely branched polyethylene, i.e., polyethylene molecules containing regularly spaced, short chain branches along its linear backbone, were studied using molecular dynamics simulation. Models with branch content varying from 0 to 47.6 branches per 1000 backbone carbons were studied over a temperature range of 273–550 K and under a constant pressure of 1 bar. Two types of models were built, one of which contained ethyl branches while the other contained hexyl branches. The results indicated that at a given temperature, the global orientation order parameter decreased almost linearly with increasing branch content up to a value of approximately 38.5 and increased considerably and unexpectedly at a branch content of 47.6. The order parameter was insensitive to the branch length except at high branch contents. The computed packing lengths and activation energy for diffusion are consistent with the above observations.     

提高二氧化钛孔道中水分子扩散性的分子模拟

众所周知,二氧化钛(TiO₂)材料在光催化材料、生物材料、电化学和工业催化等多个领域表现出优异的性能,因而其在解决能源和环境危机中被寄予厚望。在上述TiO₂材料的众多应用中往往都离不开水分子与TiO₂材料的接触。TiO₂表面结构,特别是水分子在TiO₂表面上形成的微结构往往对于TiO₂材料的应用起到关键作用。另一方面,大比表面积的TiO₂材料表现出性能上的优势,因此制备具有纳米孔道结构的TiO₂材料成为研究趋势。结合上述两点,水分子受限于TiO₂纳米孔道中的行为成为研究的热点之一。以往的研究结果表明,水分子在TiO₂表面具有强吸附作用,而该作用会影响到水分子在TiO₂孔道中的流动性。本文意在通过分子模拟的研究,找到提高水分子TiO₂孔道中扩散性的方法,并解释流动性增加的原因,为实验研究工作者们提供指导和解释。通过调整多项模拟参数,结果表明对于实验工作更为可靠的方法是用碳层覆盖TiO₂的表面。这样可以在不改变原有实验条件的基础上大大提高水分子在TiO₂孔道中的扩散性。     

离子液体［BMIM］Br的水溶液VLE与扩散系数的分子模拟

在Linux操作系统下采用Towhee软件和NPT-Gibbs系综Monte-Carlo方法（GEMC）,模拟了不同温度、不同压力下二元体系［BMIM］Br+H₂O的汽液相平衡性质。提出了一种修正介电常数的方法来计算长程力,所得结果与非极化模型、极化模型及实验结果进行了比较。结果表明：相比于极化模型和非极化模型,修正介电常数的计算结果更接近实验值。此外,采用DL_POLY软件和分子动力学模拟的方法对［BMIM］Br水溶液的扩散系数进行了计算。结果表明：随着溶液中水含量的增多,ILs阴阳离子以及水分子的扩散系数得到了明显的改善。     

水分子在白云母表面吸附的分子动力学模拟

作为一种重要的化工分离技术,浮选过程中的固/液界面现象极为重要.利用PCFF_phyllosilicates力场对不同数量的水分子在白云母表面的吸附情况进行了分子动力学研究,考察了原子密度分布、氢键相对浓度分布、径向分布函数、均方位移和表面K⁺密度场等性质.结果表明:水分子达到单层覆盖后,靠近白云母(001)表面的前3层水分子的数目不随水分子的进一步增多发生改变;界面处的水分子比远离表面的水分子排列更为有序;原子密度分布、氢键相对浓度分布结果详细反映了白云母基质对水分子微观影响的"固体效应".研究还表明,表面K⁺在水化条件下移动性差,尤其是z方向流动性最差,K⁺密度场图也证明[Si₄Al₂]^-K⁺结构非常稳定.     

Molecular dynamics studies on the structures of polymer electrolyte membranes and diffusion mechanism of protons and small molecules

We performed a series of molecular dynamics (MD) simulations on Nafion^® membranes containing various quantities of H₂O and CH₃OH. The simulations afforded diverse nanoscale phase-separated structures, such as clusters, channels, and cluster–channels. The calculated cluster–channel structure qualitatively agrees with the experimental results of X-ray diffraction studies. We also investigated the diffusion mechanisms for H₂O, protons, CH₃OH, H₂, and O₂ in these membranes. To reproduce the hopping transfer of protons, we employed a semi-classical MD approach using the empirical valence bond method. The estimated diffusion coefficients of H₂O and proton in the membranes significantly depended on the H₂O content, and these values showed qualitatively good agreement with the experimental results. The diffusion coefficient of proton in H₂O-rich membranes was much larger than that of H₂O, and the proton mainly formed H₅O₂⁺ complex. Furthermore, the simulation results indicate that the majority of CH₃OH permeates through the H₂O clusters, and the majority of H₂ and O₂ permeates through the hydrophobic region of the membrane.