【摘要】：納米通道水輸運(yùn)和離子篩選被廣泛應(yīng)用于海水淡化、生物仿生、微納器件制備等各個(gè)領(lǐng)域,對(duì)水輸運(yùn)和離子篩選微觀機(jī)理的研究在物理、化學(xué)、力學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科中具有重要意義。本文圍繞邊界滑移、接觸角滯后和尺寸效應(yīng)三個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問題,系統(tǒng)研究了納米通道水輸運(yùn)和離子篩選的微觀力學(xué)機(jī)理�；诜肿觿�(dòng)理論提出了適用于復(fù)雜表面邊界滑移的理論模型。引入等效勢(shì)阱深度的概念用以表征固液作用機(jī)制對(duì)邊界滑移的影響。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了化學(xué)復(fù)雜表面和幾何復(fù)雜表面上的納米流動(dòng)邊界滑移行為。該擴(kuò)展的分子動(dòng)理論滑移模型能夠預(yù)測(cè)大剪應(yīng)力下復(fù)雜壁面上滑移速度的非線性變化,從微觀尺度更直觀地解釋壁面構(gòu)型對(duì)于界面流動(dòng)的影響。基于接觸角滯后機(jī)制分析研究了非平行光滑和鋸齒壁面間液滴的定向輸運(yùn)現(xiàn)象。壁面的重復(fù)張開和閉合對(duì)液滴施加連續(xù)的拉伸和擠壓,為液滴輸運(yùn)提供動(dòng)力。不對(duì)稱鋸齒構(gòu)型阻礙了液滴的后退運(yùn)動(dòng),使得液滴在每個(gè)開合周期內(nèi)都能獲得凈位移。借助于鋸齒壁面的"類棘輪效應(yīng)"不但抑制了疏水壁面上液滴遠(yuǎn)離尖端的反向運(yùn)動(dòng),而且有效地提高了液滴向尖端的輸運(yùn)效率。證實(shí)了接觸線釘扎并不是液滴輸運(yùn)過程中的必然階段,液滴向尖端的輸運(yùn)可以通過完整開合周期內(nèi)向尖端凈位移的累積實(shí)現(xiàn)�；诼菪{米線和納米管道的耦合效應(yīng)設(shè)計(jì)形成了納米螺旋泵,并將其用于水的定向輸運(yùn)。通過對(duì)不同幾何參數(shù)納米螺旋泵內(nèi)水輸運(yùn)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn),納米螺旋泵中的水輸運(yùn)存在三種模式:簇狀、偽連續(xù)和線性連續(xù)。研究了葉片轉(zhuǎn)速、葉片潤濕性以及螺旋泵管徑等參數(shù)對(duì)于輸運(yùn)機(jī)制的影響。結(jié)果表明,水流率隨螺旋線潤濕性的降低而提高。疏水小管徑螺旋泵中由于空間受限所導(dǎo)致的弱氫鍵作用加劇了水分子的非線性輸運(yùn)。將納米螺旋泵擴(kuò)展應(yīng)用到脫鹽領(lǐng)域。通過縮小葉片螺距創(chuàng)造受限空間,基于尺寸效應(yīng)實(shí)現(xiàn)高效離子分離。螺旋泵內(nèi)的水輸運(yùn)機(jī)制可以通過受限阻力和螺距決定的水輸運(yùn)模式的協(xié)同作用來解釋。基于增大螺旋泵管徑和減小螺旋葉片包含的螺距數(shù)目可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水透過率的有效優(yōu)化。鹽離子的完全過濾和高水流率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)證明了納米螺旋泵不僅是海水脫鹽的理想納米器件,也可以被應(yīng)用到其他更為普遍的基于尺寸效應(yīng)的分離操作中。
[Abstract]:Nano-channel water transport and ion screening are widely used in various fields such as seawater desalination, bionics, fabrication of micro-nano devices and so on. The microscopic mechanism of water transport and ion screening has been studied in physics, chemistry, mechanics, life science, etc. Material science and other disciplines are of great significance. In this paper, the micromechanical mechanisms of water transport and ion screening in nanochannels are systematically studied, focusing on three key mechanical problems: boundary slip, contact angle hysteresis and size effect. Based on the theory of molecular dynamics, a theoretical model for boundary slip of complex surfaces is proposed. The concept of equivalent potential well depth is introduced to characterize the effect of solid-liquid interaction mechanism on boundary slip. The boundary slip behavior of nanoscale flow on a chemically complicated surface and a geometric complex surface was studied by molecular dynamics simulation. The extended molecular kinetic slip model can predict the nonlinear variation of slip velocity on complex wall under large shear stress, and explain the effect of wall configuration on the interface flow more intuitively from the microscopic scale. Based on the contact angle hysteresis mechanism, the directional transport of droplets between non-parallel smooth and sawtooth walls is studied. The repeated opening and closing of the wall exerts continuous stretching and extrusion on the droplets to provide power for droplet transport. The asymmetric serrated configuration hinders the droplet's backward movement and makes the droplet gain a net displacement during each opening and closing period. With the help of the ratchet effect on the sawtooth wall, not only the reverse motion of the droplets away from the tip on the hydrophobic wall is restrained, but also the transport efficiency of the droplets to the tip is improved effectively. It is proved that the pinning of contact line is not an inevitable stage in the process of droplet transport. The transport of droplets to the tip can be realized by the accumulation of net displacement to the tip during the complete opening and closing period. Based on the coupling effect of helical nanowires and nanotubes, a nano-screw pump was designed and used for the directional transport of water. By studying the mechanism of water transport in nano-screw pump with different geometric parameters, it is found that there are three modes of water transport in nano-screw pump: cluster, pseudo-continuous and linear continuity. The effects of blade speed, vane wettability and diameter of screw pump on the transport mechanism were studied. The results show that the flow rate increases with the decrease of helix wettability. The weak hydrogen bond in the hydrophobic small diameter helical pump due to space limitation intensifies the nonlinear transport of water molecules. The nanometer screw pump is extended to desalination field. High efficiency ion separation is realized based on size effect by reducing blade pitch to create limited space. The mechanism of water transport in the screw pump can be explained by the synergistic effect of the limited resistance and the helical pitch determined by the water transport mode. The water transmittance can be effectively optimized by increasing the diameter of the screw pump pipe and reducing the number of pitch contained in the screw blade. The complete filtration of salt ions and the realization of high flow rate at the same time prove that the nano-screw pump is not only an ideal nano-device for desalination of seawater, but also can be applied to other more general separation operations based on size effect.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O363.2

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 王林雙,那平,王榕樹;脫鉛離子篩的界面篩分機(jī)理[J];科學(xué)通報(bào);2002年01期

2 沈霞;方建慧;蘇毅玲;施利毅;;鋰離子篩的制備和應(yīng)用[J];云南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年S3期

3 陳瑞福;飲用水中鉛的凈化研究[J];漳州師院學(xué)報(bào)(自科版);1996年04期

4 雷家珩,弓巧俠,尚建華,陳永熙,袁啟華;鋰離子篩前驅(qū)體正尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn_2O_4的合成及其特性研究[J];武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版);2001年06期

5 黃垂權(quán);張碧泉;張其昕;;FEMD的離子交換行為及其離子篩法提取鋰的研究[J];福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1991年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前7條

1 王群龍;賈文志;朱志榮;;鹽湖水中鋰富集交換離子篩的研究[A];第十七屆全國分子篩學(xué)術(shù)大會(huì)會(huì)議論文集[C];2013年

2 那平;王林雙;孫巖;王榕樹;;新型釹離子篩的制備及其性能研究[A];第三屆全國傳質(zhì)與分離工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2002年

3 那平;劉劍鋒;張海燕;王榕樹;;新型提釹離子篩的研制[A];中國稀土學(xué)會(huì)第一屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2005年

4 翟瑞國;王學(xué)思;蔡曉嬌;那平;;脫碘離子篩吸附性能的研究[A];中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告（第二卷）——中國核學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集第5冊(cè)（輻射防護(hù)分卷、核化工分卷）[C];2011年

5 蒙麗麗;程艷紅;陳悅;;復(fù)合熔鹽法合成Li_4Ti_5O_(12)離子篩[A];2009中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇論文集[C];2009年

6 范艷青;馮林永;蔣訓(xùn)雄;汪勝東;蔣偉;劉巍;張登高;;多金屬結(jié)核制備鋰離子篩的反應(yīng)機(jī)理研究[A];2012年全國冶金物理化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議專輯（下冊(cè)）[C];2012年

7 那平;陳強(qiáng);劉建鋒;孫巖;王榕樹;楊曙鋒;;鈦柱撐蒙脫土除砷離子篩的研制[A];第一屆全國化學(xué)工程與生物化工年會(huì)論文摘要集(上)[C];2004年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 百川;石墨烯薄膜離子篩研究獲進(jìn)展[N];中國化工報(bào);2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 王麗雅;納米通道水輸運(yùn)與離子篩選的微觀力學(xué)機(jī)理[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

2 王祿;尖晶石型錳氧化物鋰離子篩制備及提鋰性能[D];大連理工大學(xué);2009年

3 馬立文;鋰錳氧化物及其鋰離子篩的制備、性能及應(yīng)用[D];中南大學(xué);2011年

4 那平;脫砷離子篩的研制及機(jī)理初探[D];天津大學(xué);2006年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 李元;脫砷離子篩在處理大水體系砷污染的應(yīng)用[D];天津大學(xué);2010年

2 陳念;溶膠—凝膠法合成鋰離子篩及其吸附性能研究[D];成都理工大學(xué);2015年

3 吉國佳;Li_(1.6)Mn_(1.6)O_4中鋰離子的洗脫及離子篩的吸附性能研究[D];中國海洋大學(xué);2015年

4 石勤;鉀離子篩的制備、表征及分子模擬[D];新疆大學(xué);2016年

5 張玉靜;鋰離子選擇透過膜微結(jié)構(gòu)調(diào)控與傳遞過程強(qiáng)化[D];鄭州大學(xué);2016年

6 王希;高效鋰離子篩的制備與特性研究[D];天津科技大學(xué);2015年

7 王俊;PAN基鋰離子篩膜的制備及在鹽湖鹵水應(yīng)用性能研究[D];石河子大學(xué);2016年

8 楊銀叢;以聚合物管為模板的鈦氧型鋰離子篩的制備及性能研究[D];新疆大學(xué);2016年

9 田宗美;新型鋰離子篩的制備及其特性研究[D];天津科技大學(xué);2016年

10 陳玲慧;三維有序大孔鈦氧“鋰離子篩”制備與吸附性能表征[D];湘潭大學(xué);2009年

，

本文編號(hào)：2362568