为拓展计算材料学实验课程的内容,将科研成果转化为实验教学内容,设计了"基于分子模拟技术多孔材料反渗透性能研究"的实验教学项目。实验设计包括基础知识回顾、计算模型构建及任务提交、计算结果与讨论和实验内容拓展4部分。介绍了模型设计和模拟方法,分别对不同亲水性孔反渗透膜和不同亲水性表面反渗透膜进行了透水性与脱盐率实验,对渗透机理进行了分析。该实验取得了较好的实验教学效果教师以引导的方式讲解模型构建、优化以及对优化后模型进行模拟计算的具体实验内容。实验所需软硬件包括Ｍ块和１６核惠普工作站。２．１构建模型构建模型是计算模拟过程的基矗构思模型要依据实验文献，根据研究目的，选择所需模型的结构类型以及考虑每类模型在实验中合成的可能性，要综合考虑模拟真实性、计算精度与效率。模型采用构建，如图１所示。图１（ｄ）中，多孔膜材料（以多孔石墨烯为例）左侧的氯化钠溶液层（供给层），膜右侧为体相水层（渗透层），供给层包含２０００个水分子和２０个盐离子（Ｎａ＋和Ｃｌ－），渗透层包含１２００个水分子。模型的尺寸为模型的最外两侧为石墨烯活塞，用于给体系施加跨膜压力。图１模型的选取以及反渗透模型的构建２本文由公司网站滚圆机网站采集转载中国知网资源整理!www.gunyuanji.name．２模拟方法采用Ｌａｍｍｐｓ程序包进行压力趋势的反渗透模拟。原子间范德华相互作用采用势能函数描述。膜原子的Ｌ－Ｊ参数取自力场，盐离子和活塞的Ｌ－Ｊ实验的设计与实践-电动数控滚圆机滚弧机折弯机张家港电动钢管滚圆机滚弧机参数分别团队和Ｗｅｒｄｅｒ团队开发。短程范德华相互作用的截断半径为１．２０ｎｍ，长程库仑相互作用利用ＰＰＰＭ方法计算。水分子采用刚性ＳＰＣ／Ｅ模型，采用ＳＨＡＫＥ算法对水分子的键长和键角施加限制。在模拟过程中，多孔石墨烯膜被固定。采用三维周期性边界条件，温度机理分析反渗透膜的透水脱盐效果主要是由膜内水分子的空间排布决定的。图３所示为反渗透膜内部水分子的密度分布图。本文由公司网站滚圆机网站采集转载中国知网资源整理!www.gunyuanji.name由于孔边缘的亲水性，亲水性反渗透膜中水分子的密度较大，且孔内水分子的可进入面积增加，这两方面因素导致了亲水性反渗透膜较疏水性反渗透膜具有较大的水通量。孔边缘亲和性的增加使孔内部离子传输通道扩大，从而导致了亲水性反渗透膜具有较低的脱盐效率。图３反渗透膜中水分子的相对浓度分布图３．２膜表面亲和性对反渗透性能的影响３．２．１渗透性与脱盐率分析图４所示为多孔石墨烯和多孔氧化石墨烯反渗透膜在反渗透过程中通过的水分子数随模拟时间的变化曲线。多孔氧化石墨烯反渗透膜表面由环氧基和羟基修饰，具有亲水性，相对于表面疏水性的多孔石墨烯膜，单位时间内传输通过的水分子较多，说明膜表面亲水性具有较大的水通量，透水性较好。实验结果表明：表面疏水性和亲水性反渗透膜单孔水流量分别为每纳秒通过个水分子。表面亲水性反渗透膜即氧化石墨烯膜的盐离子截留率（１００％）比表面疏水性反渗透膜的盐离子截留率（９４．３８％）更高，这可能是由于亲水表面静电力不同造成的。图４通过反渗透膜的水分子数随模拟时间的变化曲线３．２．２渗透机理分析可以通过研究水分子穿过孔的自由能来分析渗透性能。沿垂直于膜方向水分子的平均力势（ＰＭＦ）计算公式为Ｐ中ｋＢ是玻尔兹曼常数，Ｔ为温度，ρ（ｚ）为给定位置水的密度，ρ（ｚｒｅｆ）为远离孔位置处水。 实验的设计与实践-电动数控滚圆机滚弧机折弯机张家港电动钢管滚圆机滚弧机本文由公司网站滚圆机网站采集转载中国知网资源整理!www.gunyuanji.name