bahan nano
Manufaktur industri
Kemajuan terbaru dalam pengembangan bahan dua dimensi (2D) telah memfasilitasi berbagai karakteristik kimia permukaan yang diperoleh dengan menyusun spesies atom, fungsionalisasi pori, dll. Penelitian ini berfokus pada bagaimana karakteristik kimia seperti hidrofilisitas mempengaruhi laju transportasi air di membran 2D heksagonal. Kekuatan interaksi membran-air disetel untuk mengubah hidrofilisitas, dan pori sub-nanometer digunakan untuk menyelidiki fluks file tunggal, yang diketahui mempertahankan penolakan garam yang sangat baik. Karena perilaku dewetting pori hidrofobik, fluks air adalah nol atau nominal di bawah kekuatan interaksi ambang batas. Di atas kekuatan interaksi ambang batas, fluks air menurun dengan meningkatnya kekuatan interaksi. Dari potensi analisis gaya rata-rata dan perhitungan koefisien difusi, daerah proksimal dari pintu masuk pori ditemukan menjadi faktor dominan yang menurunkan fluks air pada pori yang sangat hidrofilik. Lebih lanjut, keunggulan membran 2D di atas membran 3D tampaknya bergantung pada kekuatan interaksi. Temuan saat ini akan berimplikasi pada desain membran 2D untuk mempertahankan laju filtrasi air yang tinggi.
Transportasi air file tunggal telah diamati dalam nanopori sub-nanometer yang terlibat dalam membran sintetis [1, 2] atau membran alami [3, 4]. Formasi air file tunggal di pori-pori sub-nanometer ini secara efektif menghambat translokasi ion dengan mengembangkan penghalang energi bebas dehidrasi [5]. Setelah menemukan laju fluks air yang cepat dan laju penolakan garam yang tinggi dalam membran karbon nanotube (CNT), banyak faktor lain seperti fungsionalisasi pelek, penetapan muatan, dan modifikasi permukaan telah dipelajari untuk memahami mekanisme transpor dan untuk meningkatkan efisiensi membran [7,8,9,10]. Selanjutnya, membran graphene oxide telah berhasil digunakan untuk pengayakan ion dengan mengatur jarak antar lapisan graphene oxide ke skala sub-nanometer [11].
Penemuan membran dua dimensi (2D) yang diprakarsai oleh graphene [12], telah mendapatkan perhatian yang signifikan di bidang membran filtrasi dan desalinasi [13]. Sebagai hasil dari lebar pori setebal satu atom, kehilangan tekanan gesekan dapat diminimalkan secara teoritis, dan fluks air yang unggul dapat diperoleh [14]. Grafena lapisan tunggal nanopori telah berhasil dibuat dengan menggunakan proses etsa plasma oksigen, yang memungkinkan kontrol ukuran pori [15, 16]. Ini telah berhasil digunakan untuk membran desalinasi dengan menunjukkan hampir 100% penolakan garam dan fluks air yang tinggi hingga 10 6 g/m 2 s [16]. Kinerja desalinasi yang tinggi juga ditunjukkan dengan melakukan simulasi molecular dynamics (MD) [17]. Selain itu, membran graphene nanopori menunjukkan pengayakan molekuler yang efisien untuk pemisahan gas [18, 19] dan pemisahan ion [15, 20].
Setelah berhasil mensintesis graphdiyne [21, 22], turunan graphene 2D lainnya seperti graphyne, graphone, dan graphane telah menarik perhatian besar sebagai bahan 2D kelas baru [23, 24]. Selain itu, modifikasi permukaan menggunakan fungsionalisasi pori atau doping kimia telah diperkenalkan untuk memperluas fungsionalitas membran 2D. Nitrogen [25] atau nikel [26] doping dipamerkan kegiatan katalitik unggul. Crown-eter telah tertanam dalam nanopore graphene untuk kegiatan translokasi ion mekanosensitif [27] atau translokasi ion selektif [20, 28]. Fungsionalisasi nanopori graphene menggunakan nitrogen piridin, fluor, atau hidroksil telah menunjukkan peningkatan efisiensi desalinasi dari simulasi MD [29,30,31]. Dengan porositas alami yang tinggi, graphyne-3 dan graphyne-4 juga terbukti menjadi kandidat potensial untuk membran desalinasi dengan menunjukkan laju filtrasi air dan laju penolakan garam yang tinggi [32].
Selain itu, bahan 2D canggih seperti silicene [33], germanene [34, 35], boron nitrida heksagonal (hBN) [36, 37], dan kerangka organik logam (MOF) [38] telah dikembangkan dan dipelajari secara ekstensif dalam beberapa tahun terakhir. . Pengembangan material 2D telah diperluas ke material Janus 2D yang asimetris secara struktural, seperti MoSSe [39, 40] dan In2 SS [41]. Materi 2D baru seperti MOF [42] dan MoS2 [43] telah menunjukkan kinerja desalinasi yang efisien menggunakan simulasi MD. Dalam percobaan, membran MOF setipis 3 nm telah disintesis dan diuji untuk nanofiltrasi [44]. MoS2 setipis 7 nm juga telah disintesis dan diuji efisiensi desalinasinya [45]. Mereka berdua menunjukkan tingkat penyaringan air yang tinggi dan tingkat penolakan pewarna/garam. hBN 2D ditemukan lebih unggul dari membran graphene dengan menunjukkan tingkat perembesan air yang lebih tinggi [46] dari sebuah studi MD.
Memprediksi efisiensi berbagai membran 2D sebagai membran penyaringan air memerlukan pemahaman efek sifat kimia permukaan pada tingkat transportasi air. Hidrofilisitas permukaan memainkan peran penting dalam dinamika air pada antarmuka [47]. Dalam penelitian ini, hidrofilisitas permukaan disetel dengan menyesuaikan kekuatan interaksi membran-air dan pengaruhnya terhadap laju aliran air diselidiki dengan menggunakan simulasi MD. Untuk mewakili membran 2D monolayer, struktur graphene heksagonal dipilih sebagai struktur model 2D. Aliran air file tunggal melalui membran 2D dibandingkan dengan yang melalui membran tiga dimensi (3D) di mana panjang translokasi air sesuai dengan beberapa ukuran atom. Untuk mewakili membran 3D, struktur CNT dengan pelat graphene digunakan sebagai struktur model 3D.
Membran 2D dan struktur membran 3D diperoleh dari struktur geometris graphene dan nanotube karbon, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pori nano dalam membran 2D dihasilkan dengan menghilangkan atom di dalam daerah melingkar dari pusat pori (ditunjuk sebagai R2). Area pori yang dihasilkan berbentuk heksagonal dengan jarak antar atom terjauh kira-kira 7,52 Å. Struktur membran 3D diperoleh dengan menyisipkan struktur (6,6) CNT di antara dua pelat graphene yang terpisah 2,06 nm. Ada sedikit perbedaan antara area pori membran 3D dan 2D. Struktur membran 2D tambahan yang terdiri dari pelek CNT dan pelat graphene dibuat untuk menghilangkan efek perbedaan ukuran pori. Konfigurasi ditunjuk sebagai R1. Jari-jari pori konfigurasi R1 sesuai dengan jari-jari (6,6) CNT, yaitu 8,13 Å.
a Sel simulasi dengan struktur membran 2D dan 3D. R1 menunjukkan konfigurasi pintu masuk pori dari membran 3D. Untuk struktur membran 2D, konfigurasi pintu masuk R1 dan R2 digunakan. Garis kotak hitam mewakili batas periodik sel simulasi. b Penerapan gaya pada molekul air selama simulasi aliran air yang digerakkan oleh tekanan. c Jalur lintasan representatif dari molekul air yang menembus membran 2D
Ukuran planar membran adalah 4.12 × 4.08 nm. Ukuran kotak simulasi awal adalah 4.12 × 4.08 × 12 nm untuk simulasi membran 2D dan 4.12 × 4.08 × 14.06 nm untuk simulasi membran 3D. Kondisi batas periodik diterapkan di x , y , dan z arah bersama dengan kotak simulasi, yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Membran diposisikan tegak lurus terhadap z -arah di tengah kotak simulasi (z = 6 nm). Model air SPC/E [48] digunakan untuk mengisi kotak simulasi karena model ini sesuai dengan sifat transportasi eksperimental seperti difusivitas [48, 49] dan viskositas [50, 51]. Jumlah total molekul air adalah 6474. Interaksi tidak terikat antara molekul air dan membran dihitung dengan interaksi Lennard Jones (LJ),
$${{V}}_{\rm LJ}=4\varepsilon \left[{\left(\frac{\sigma }{r}\right)}^{12}-{\left(\frac{\ sigma }{r}\kanan)}^{6}\kanan]$$di mana \(\varepsilon\) adalah kedalaman sumur potensial, \(\sigma\) adalah jarak antara atom yang potensialnya nol, dan r adalah jarak antar atom. Dalam simulasi ini, \(\sigma\) ditetapkan pada 0,33 nm, yang merupakan rata-rata aritmatika dari parameter jarak karbon dan air. Kekuatan interaksi air-membran, \(\varepsilon ,\) diubah dari 0,026 menjadi 0,415 kkal/mol untuk menyesuaikan hidrofilisitas. Kekuatan interaksi yang digunakan dalam penelitian ini sesuai dengan 0,25 \({\varepsilon }_{0}\), 0,5 \({\varepsilon }_{0}\), \({\varepsilon }_{0}\) , 2 \({\varepsilon }_{0}\), dan 4 \({\varepsilon }_{0}\), di mana \({\varepsilon }_{0}\) adalah kekuatan interaksi LJ antara karbon [52] dan oksigen [48].
Semua simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak GROMACS [53]. Integrasi waktu dilakukan menggunakan algoritma Leapfrog dengan langkah waktu 1 fs. Termostat Nosè–Hoover [54] diterapkan untuk mempertahankan suhu pada 300 K, dengan konstanta waktu 0,1 ps. Skema cutoff digunakan dalam menghitung interaksi LJ dengan jarak cutoff 12 Å. Interaksi elektrostatik jarak jauh dihitung dengan menggunakan metode partikel mesh Ewald (PME) dengan batas ruang nyata 12 Å dan kisi ruang timbal balik 1,2 Å. Selama simulasi kesetimbangan awal, tekanan air normal ke membran disesuaikan menjadi 1 bar dengan menerapkan barostat Parrinello-Rahman [55]. Setelah 1 ns kesetimbangan NPT, sistem selanjutnya diseimbangkan menggunakan ansambel NVT selama 1 ns. Setelah total 2 ns kesetimbangan, aliran yang digerakkan oleh tekanan disimulasikan dengan menerapkan gaya pada molekul air yang berada di wadah bertekanan [14, 56]. Wadah bertekanan dengan panjang 1 nm terletak di samping kotak simulasi, seperti yang digambarkan pada Gambar 1b. Gaya luar yang bekerja pada molekul air dihitung dengan \(f=\Delta P/NA\), di mana \(\Delta P\) adalah perbedaan tekanan yang diinginkan melintasi membran, N adalah jumlah molekul air dalam wadah bertekanan , dan A adalah luas membran. Diketahui dari literatur sebelumnya bahwa metode ini mampu mempertahankan penurunan tekanan yang diinginkan dengan sangat baik selama simulasi [14]. Aliran yang digerakkan oleh tekanan disimulasikan selama 10 ns, dan data dikumpulkan selama 9 ns setelah inisialisasi 1 ns. Selama simulasi, membran diperlakukan sebagai bahan yang kaku.
Setelah simulasi dilakukan, struktur air dan sifat transportasi dianalisis. Koefisien difusi dalam arah aksial pori dihitung dengan hubungan Einstein, yang diberikan oleh
$${D}_{z}=\frac{1}{2}\underset{t\to \infty }{\mathrm{lim}}\frac{\langle {\left|z\left(t\right )-z(0)\right|}^{2}\rangle }{\Delta t}$$Potensi gaya rata-rata (PMF) dihitung dengan mengintegrasikan gaya yang bekerja pada molekul air melalui hubungan [57],
$$\Delta \mathrm{PMF}=-{\int }_{{z}_{0}}^{z}{\rm d}{z}^{^{\prime}}\langle F({ z}^{^{\prime}})\rangle$$di mana \({z}_{0}\) adalah lokasi air curah. \({z}_{0}\) =3 nm dalam penelitian ini. Dalam perhitungan PMF dan profil koefisien difusi di z -direction, bin silinder dengan radius 3,8 Å digunakan di sepanjang sumbu nanopore.
Selama penerapan penurunan tekanan melintasi membran, jumlah molekul air yang berpindah melalui membran dihitung, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2a, b. Gambar 2a, b masing-masing mewakili jumlah translokasi air melalui membran 2D (R1) dan 3D (R1). Dari kemiringan translokasi air vs waktu, fluks air rata-rata diukur. Pada Gambar. 2c, fluks air yang diukur diplot dengan kekuatan interaksi untuk membran 2D dan 3D. Ketika kekuatan interaksi meningkat, fluks air meningkat tajam ke fluks air maksimum, dan kemudian, secara monoton menurun di semua membran. Dalam membran 2D, fluks air R1 sedikit lebih tinggi daripada R2. Perbedaannya adalah hasil dari wilayah akses air yang agak lebih besar dari R1.
a Jumlah translokasi molekul air dengan waktu dalam membran 2D, b jumlah translokasi molekul air dengan waktu dalam membran 3D, c fluks air yang dihitung (jumlah molekul air yang ditranslokasi per ns) variasi dengan kekuatan interaksi air-membran
Fluks air minimum ke transisi fluks air maksimum pada kekuatan interaksi rendah disebabkan oleh transisi pembasahan-pembasahan pori. Dalam nanopori dengan diameter sub-nanometer, molekul air disusun sebagai rantai file tunggal [1, 58], seperti dapat dilihat pada Gambar. 3e, f. Jumlah ikatan hidrogen molekul air yang membentuk file tunggal berkurang menjadi sekitar satu setengah [59]. Dalam pembentukan file tunggal, energi ikatan hidrogen yang hilang sebagian dikompensasi oleh energi interaksi membran-air [1]. Pada kekuatan interaksi membran-air yang rendah yang menggambarkan pori hidrofobik, interaksi membran-air tidak memberikan kompensasi yang cukup untuk membentuk rantai file tunggal. Perilaku dewetting tersebut dikonfirmasi baik dalam simulasi tekanan dan keseimbangan, dengan memplot profil kepadatan dan mengukur jumlah pendudukan (lihat detail di bagian "Kepadatan Air" dan bagian "Pendudukan Air di Nanopori").
a –d Profil kepadatan air dan e –f memvisualisasikan pembentukan air file tunggal selama MD. Kepadatan air di sepanjang arah aksial nanopore untuk a Membran 2D dan b membran 3D. Kepadatan diukur dalam wadah silinder dengan radius pori yang dapat diakses air. Profil densitas rinci di dalam daerah pori untuk c Membran 2D dan d membran 3D. Konfigurasi file tunggal di dalam e nanopori 2D dan f nanopori 3D
Membran 2D dan 3D menunjukkan perbedaan dalam kekuatan interaksi ambang batas. Kekuatan interaksi ambang batas membran 3D lebih tinggi daripada membran 2D. Di dalam pori sub-nanometer, rantai parsial atau molekul air individu secara energetik tidak menguntungkan. Oleh karena itu, pembentukan rantai lengkap di dalam pori merupakan prasyarat dalam pembasahan pori sub-nanometer. Panjang rantai yang relatif pendek dan penangas air curah yang terletak dekat memungkinkan pembasahan membran 2D pada kekuatan interaksi yang relatif rendah. Karena perbedaan dalam kekuatan interaksi ambang, fluks air membran 2D lebih tinggi daripada membran 3D pada kekuatan interaksi rendah (0,25 \({\varepsilon }_{0}\) dan 0,5 \({\varepsilon } _{0}\)).
Pada kekuatan interaksi ambang batas membasahi nanopori, fluks air maksimum tercapai. Kemudian, fluks air berkurang dengan meningkatnya kekuatan interaksi. Telah dilaporkan bahwa permukaan hidrofobik mempromosikan slip batas, dan selanjutnya meningkatkan fluks air [60,61,62]. Hidrodinamika kontinum juga mengatur fluks air yang ditingkatkan ketika kondisi batas slip diterapkan. Validitas mekanisme yang sama pada fluks file tunggal dan membran 2D tidak jelas karena dimensi sub-nanometer dalam arah aksial dan radial pori. Untuk menjelaskan penurunan fluks air dengan meningkatnya hidrofilisitas, dinamika dan energi air diselidiki (lihat bagian "Difusivitas Air" dan "Potensi Gaya Rata-rata"). Perhatikan bahwa penurunan fluks air lebih signifikan untuk membran 3D dibandingkan dengan membran 2D. Pada kekuatan interaksi sedang (\({\varepsilon }_{0}, 2{\varepsilon }_{0}\)), membran 3D lebih unggul dari membran 2D, sedangkan kebalikannya berlaku pada kekuatan interaksi tinggi (4 \( {\varepsilon }_{0})\).
Profil densitas air sepanjang arah aksial pori diplot pada Gambar 3a–d. Densitas air diukur menggunakan wadah silinder dengan radius pori untuk mengakses profil densitas di daerah pori terbuka. Gambar 3a dan b mewakili profil kerapatan air dengan membran 2D dan 3D, masing-masing, dengan wilayah pori ditunjukkan oleh garis putus-putus. Lebar daerah pori didefinisikan sebagai diameter van der Waals atom membran. Karena pusat atom membran terletak di z = 6 nm, daerah pori didefinisikan sebagai z = 5.83–6.17 nm untuk membran 2D, dan z = 5.83–8.23 nm untuk membran 3D. Pada Gambar. 3c, d, densitas air di dalam daerah pori ditampilkan.
Di wilayah proksimal dari pintu masuk pori, puncak dan lembah kepadatan yang signifikan, yang mewakili struktur air berlapis, diamati dengan jelas. Struktur air berlapis dekat dinding padat telah dilaporkan oleh MD sebelumnya [63] dan studi eksperimental [64]. Karena jari-jari pori lebih kecil dari jarak di mana interaksi van der Waals bekerja (~ 1.2 nm), struktur air berlapis tidak menghilang meskipun pori terbuka. Diamati dari osilasi densitas bahwa besarnya puncak densitas meningkat dengan meningkatnya kekuatan interaksi.
Puncak densitas di dalam daerah pori menunjukkan tempat yang menguntungkan bagi molekul air yang membentuk berkas tunggal. Dalam nanopori 2D, dua puncak kepadatan menunjukkan bahwa dua molekul air membentuk file tunggal yang stabil. Dalam nanopori 3D, delapan hingga sembilan puncak kerapatan diamati, menunjukkan bahwa rantai air yang lebih panjang terbentuk (Gbr. 3e, f). Kepadatan air nol di dalam wilayah pori menunjukkan bahwa tidak ada molekul air yang menembus membran. Dalam nanopori 2D, kerapatan air mendekati nol dengan kekuatan interaksi 0,25 \({\varepsilon }_{0}\); oleh karena itu, fluks air adalah nominal untuk nanopori 2D dengan kekuatan interaksi 0,25 \({\varepsilon }_{0}\). Dalam nanopori 3D, kerapatan air adalah nol untuk kekuatan interaksi 0,25 \({\varepsilon }_{0}\) dan 0,5 \({\varepsilon }_{0}\), artinya fluks air diukur sebagai nol untuk 3D nanopori dengan kekuatan interaksi tersebut.
Dinamika keseimbangan air juga diselidiki dengan menjalankan simulasi keseimbangan tanpa perbedaan tekanan eksternal. Jumlah pendudukan air nanopori diukur dengan menghitung jumlah seketika molekul air di dalam wilayah pori selama setiap kerangka waktu. Gambar 4a–l menampilkan nomor pendudukan dengan waktu untuk berbagai kekuatan interaksi membran 2D dan 3D. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 4, okupasi air menunjukkan transisi dua keadaan pengisian-kosong dari pori-pori nano. Hal ini diketahui sebagai karakteristik dari single-file water, karena keadaan terisi sebagian (broken single-file) secara energetik tidak menguntungkan [1]. Pada kekuatan interaksi rendah 0,25 \({\epsilon }_{0}\), keadaan kosong (0–1 hunian air) lebih banyak diisi untuk membran 2D dan 3D. Pada kekuatan ini, jumlah pekerjaan rata-rata adalah 0,37 untuk membran 2D dan 0,05 untuk membran 3D. Pada kekuatan interaksi 0,5 \({\epsilon }_{0}\), status terisi (1–2 hunian air) lebih banyak terisi untuk membran 2D, sedangkan status kosong masih terisi untuk membran 3D. Pada kekuatan ini, jumlah pendudukan air rata-rata adalah 1,1 untuk membran 2D dan 0,3 untuk membran 3D. Pada kekuatan interaksi \({\epsilon }_{0}\), nomor pekerjaan diisi dengan 8–10 untuk membran 3D. Hal ini menunjukkan bahwa membran 3D dalam keadaan terisi dengan kekuatan interaksi \({\epsilon }_{0}\).
Nomor pendudukan air di dalam nanopore untuk a –h 2D dan i –l membran 3D. Kekuatan interaksi membran-air adalah 0,25 \({\epsilon }_{0}\) untuk a , e , dan i , 0,5 \({\epsilon }_{0}\) untuk b , f , dan j , \({\epsilon }_{0}\) untuk c , g , dan k , dan 4 \({\epsilon }_{0}\) untuk d , h , dan l . Jumlah pekerjaan rata-rata bervariasi dengan kekuatan interaksi (m )
Variasi jumlah rata-rata pendudukan air dengan kekuatan interaksi ditampilkan pada Gambar 4m. Perilaku transisi dua keadaan yang terisi kosong juga diamati dengan kekuatan interaksi. Transisi yang tajam diamati dengan jelas untuk membran 3D saat jumlah pendudukan melompat dari jumlah nominal ke angka tinggi, dan kemudian sedikit meningkat seiring dengan peningkatan kekuatan interaksi. Perilaku transisi serupa diamati pada membran 2D; namun, membran 2D menunjukkan transisi sedang karena panjang rantai file tunggal yang pendek dan penangas air curah yang terletak dekat, yang mengatur keadaan transisi yang relatif menguntungkan.
Perilaku transisi dari keadaan pengisian-kosong (dewetting-wetting) mendukung variasi fluks air pada kekuatan interaksi yang rendah. Di bawah kekuatan interaksi ambang batas, fluks air karena penurunan tekanan yang diterapkan adalah nol atau nominal. Pada kekuatan interaksi 0,5 \({\epsilon }_{0}\), fluks air untuk membran 2D jauh lebih tinggi dibandingkan dengan membran 3D. Pada kekuatan interaksi ini, membran 2D dalam keadaan basah, sedangkan membran 3D dalam keadaan basah. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa dewetting air bertanggung jawab atas variasi fluks air pada kekuatan interaksi yang rendah. Sayangnya, hunian air tidak dapat menjelaskan penurunan fluks air dengan kekuatan interaksi yang lebih tinggi.
Untuk menyelidiki lebih lanjut dinamika air, koefisien difusi air dihitung dari simulasi kesetimbangan. Dalam profil kepadatan, osilasi besar di daerah pori proksimal diamati, yang menunjukkan struktur air berlapis. Amplitudo osilasi kepadatan meningkat dengan meningkatnya kekuatan interaksi. Untuk memperhitungkan efek struktural tersebut, koefisien difusi air di dekat pori dan daerah masuk dihitung dan diplot pada Gambar 5a-e. Gambar 5a menunjukkan koefisien difusi molekul air di berbagai area, termasuk daerah kedekatan dan pintu masuk. Jelas bahwa koefisien difusi menurun dengan meningkatnya kekuatan interaksi. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa penurunan difusivitas air berkontribusi terhadap penurunan fluks air dengan meningkatnya kekuatan interaksi di atas kekuatan interaksi ambang batas.
Koefisien difusi air di dekat pori dan daerah masuk pori. Daerah kedekatan pori didefinisikan sebagai daerah silinder dengan jari-jari pori dan panjang 1 nm. Daerah masuk pori didefinisikan sebagai daerah silinder dengan jari-jari pori dan diameter van der Waals. a Variasi koefisien difusi dengan kekuatan interaksi. Koefisien difusi diukur di area, termasuk pintu masuk pori dan wilayah kedekatan. b , c Profil koefisien difusi sepanjang arah aksial pori untuk kekuatan interaksi b \({\epsilon }_{0}\) dan c 4 \({\epsilon }_{0}\). d , e Variasi koefisien difusi dengan kekuatan interaksi pada d wilayah kedekatan pori dan e daerah masuk pori
Profil koefisien difusi dalam arah aksial pori ditunjukkan untuk kekuatan interaksi sedang (\({\epsilon }_{0}\)) dan kekuatan interaksi tinggi (4 \({\epsilon }_{0}\)) pada Gambar. 5b, c, masing-masing. Pada Gambar 5b–e, konfigurasi pori yang sama (R1) untuk pori nano 2D dan 3D dibandingkan untuk menghilangkan efek yang disebabkan oleh perbedaan konfigurasi pori. Diamati bahwa koefisien difusi secara bertahap menurun dari difusivitas massal (~ 2.7 × 10 –9 m 2 /s [49]) saat mereka mendekati pintu masuk pori. Penurunan koefisien difusi mungkin merupakan konsekuensi dari kombinasi efek pengekangan pori dan efek pelapisan air. Hidrofilisitas membran cenderung mengurangi koefisien difusi dengan dua mekanisme yang berbeda, yaitu, menginduksi struktur yang sangat berlapis di dekat pori dan meningkatkan gaya gesekan di wilayah pintu masuk pori. Dalam perhitungan koefisien difusi terpisah di daerah dekat pori dan daerah masuk (lihat Gambar 5d, e), koefisien difusi menurun dengan meningkatnya kekuatan interaksi di kedua daerah.
Koefisien difusi untuk membran 3D sedikit lebih tinggi atau sebanding dengan membran 2D di daerah pintu masuk pori. Sebaliknya, koefisien difusi untuk membran 3D lebih kecil dibandingkan dengan membran 2D dalam kedekatan pori, dan perbedaannya signifikan pada kekuatan interaksi tinggi (4 \({\epsilon }_{0}\)). Dalam simulasi aliran yang digerakkan oleh tekanan, fluks air melalui membran 3D menunjukkan tingkat penurunan yang lebih signifikan dengan kekuatan interaksi dibandingkan dengan membran 2D. Hal ini menghasilkan fluks air yang sebanding atau lebih tinggi untuk membran 3D pada kekuatan interaksi sedang (\({\epsilon }_{0},\) 2 \({\epsilon }_{0}\)), dan fluks air yang lebih tinggi untuk Membran 2D dengan kekuatan interaksi tinggi (4 \({\epsilon }_{0}\)). Difusi dalam kedekatan pori tampaknya menjadi penyebab utama fluks air terbalik tersebut pada kekuatan interaksi yang tinggi.
Untuk menyelidiki lebih lanjut keunggulan membran, yang bergantung pada kekuatan interaksi, profil PMF 2D dan 3D dibandingkan untuk kekuatan interaksi sedang (\({\epsilon }_{0})\) dan kekuatan interaksi tinggi (4 \ ({\epsilon }_{0}\)). Profil PMF nanopori 2D dan 3D dibandingkan pada Gambar 6. Profil PMF menunjukkan maxima lokal, yang mewakili penghalang energi bebas yang harus diatasi oleh molekul air untuk diangkut melalui membran. Dari profil PMF, dua hambatan energi utama PMF diidentifikasi di wilayah pintu masuk pori (z = 6 nm) dan wilayah kedekatan pori (z \(\perkiraan\) 5,5 nm). Pada kekuatan interaksi \({\epsilon }_{0}\), penghalang energi kedekatan tidak menunjukkan perbedaan yang signifikan antara 2 dan 3D. Pada kekuatan interaksi tinggi 4 \({\epsilon }_{0}\), hambatan energi di kedekatan keduanya meningkat, tetapi dengan magnitudo yang lebih tinggi untuk membran 3D dibandingkan dengan membran 2D. Ini menegaskan bahwa kedekatan pori adalah faktor utama untuk fluks air terbalik pada kekuatan interaksi yang tinggi.
Profil PMF sepanjang arah aksial pori untuk a kekuatan interaksi sedang (\({\epsilon }_{0})\) dan b kekuatan interaksi tinggi (\(4{\epsilon }_{0})\)
Dengan peningkatan kekuatan interaksi (\({\epsilon }_{0}\) → \(4{\epsilon }_{0}\)), penghalang energi masuk pori berubah dari 1,94 menjadi 1,82 untuk membran 2D, dan 1,68 menjadi 1,45 untuk membran 3D. Ada sedikit penurunan penghalang energi masuk dengan meningkatnya energi interaksi membran-air. Di sisi lain, dengan peningkatan kekuatan interaksi (\({\epsilon }_{0}\) → \(4{\epsilon }_{0}\)), penghalang energi kedekatan berubah dari 0,4 menjadi 1,05 untuk 2D membran, dan 0,47 hingga 1,61 untuk membran 3D. Dari sudut pandang energi, penurunan fluks air dengan peningkatan kekuatan interaksi sebagian besar disebabkan oleh peningkatan penghalang energi di wilayah pori proksimal. Hal ini juga terkait dengan penurunan fluks air yang lebih tinggi untuk membran 3D, dibandingkan dengan membran 2D. Penghalang energi total untuk membran 2D (2,34 kB T) sedikit lebih tinggi dari 3D (2,15 kB T) membran ketika interaksi membran-air sedang (\({\epsilon }_{0}\)). Karena peningkatan yang signifikan dalam penghalang energi kedekatan untuk membran 3D, penghalang energi totalnya (3,06 kB T) lebih tinggi dari membran 2D (2,87 kB T) dalam hal kekuatan interaksi tinggi (4 \({\epsilon }_{0})\). Oleh karena itu, PMF secara kuantitatif mendukung keunggulan membran 2D pada kekuatan interaksi tinggi (4 \({\epsilon }_{0})\) dan membran 3D pada kekuatan interaksi sedang (\({\epsilon }_{0}) \).
Untuk aliran air non-file tunggal melalui ukuran pori yang lebih besar, dianggap bahwa membran 2D dominan di atas membran 3D terlepas dari kekuatan interaksi. Perilaku pembasahan-pengembesan dengan kekuatan interaksi diamati untuk membran CNT dengan ukuran pori yang lebih besar dari literatur sebelumnya [65]. Kekuatan interaksi ambang menurun dengan meningkatnya ukuran pori [65]. Karena reservoir air yang terletak dekat dan panjang pori yang pendek, membran 2D akan menunjukkan kekuatan interaksi ambang batas yang lebih rendah dibandingkan dengan membran 3D, yang konsisten dengan hasil untuk aliran file tunggal. Dengan demikian, membran 2D cenderung menunjukkan fluks air yang lebih tinggi melalui ukuran pori yang lebih besar dibandingkan dengan yang melalui membran 3D ketika kekuatan interaksi rendah. Untuk kekuatan interaksi di atas ambang batas, fluks air melalui membran 2D mungkin masih lebih tinggi dari pada membran 3D dibandingkan dengan aliran air file tunggal. Penghalang energi PMF pada kedekatan pori tidak akan terlalu mempengaruhi aliran air, dan gesekan antara dinding membran dan molekul air akan menjadi faktor dominan yang mempengaruhi fluks air. Literatur sebelumnya telah melaporkan bahwa fluks air melalui membran CNT meningkat dengan penurunan panjang CNT untuk aliran non-file tunggal [66, 67]. Selain itu, untuk aliran non-file tunggal, fluks air yang lebih tinggi melalui membran graphene diamati dibandingkan dengan yang melalui membran CNT [14].
In the present study, the effect of the membrane–water interaction strength on the single-file water flux was investigated. Due to the recent advances in two-dimensional membranes, hexagonal 2D membrane structures were considered and compared with the 3D tube type structure. The main observations are as follows:(1) water flux is zero or nominal below the threshold interaction strength, (2) the threshold interaction strength is lower for 2D membranes compared with 3D membranes, (3) water flux decreases with increase in interaction strength when the interaction strength is larger than the threshold interaction strength, and (4) the decrease in water flux was more significant for 3D membranes compared with 2D membranes.
The zero or nominal flux at a low interaction strength was due to the dewetting behavior, which was supported by the small occupation number and water density inside the pore. Above the threshold interaction strength wetting the pore, the water flux decreases with increase in interaction strength. The increase in the interaction strength resulted in an increased PMF energy barrier and decreased diffusion coefficients at the pore proximity, consequently reducing the water flux. In addition, the water structure and dynamics in the pore proximity were more affected by the interaction strength in the 3D membrane compared with that of the 2D membrane. It resulted in the higher reduction of water flux for 3D membranes, compared with the 2D membranes.
Due to the complicated single-file flux dependency on the interaction strength and membrane dimensions, the superiority of 2D membranes over 3D membranes appears to depend on the interaction strength. For a moderate interaction strength (l \({\epsilon }_{0}\),\({2\epsilon }_{0})\), the 3D membrane shows a slightly higher water flux compared with the 2D membranes. For a low (0.5\({\epsilon }_{0}\)) and high interaction strength (4\({\epsilon }_{0}\)), the 2D membrane shows a higher water flux than the 3D membranes. To conclude, the superiority of 2D membranes over 3D membranes depends on the membrane hydrophilicity due to the wetting–dewetting transition and diffusion dynamics in pore proximity. The present findings will be useful in the design and manipulation of 2D membranes to retain a high filtration flux.
The datasets supporting the conclusions of this article are included within the article, and further information about the data is available from the corresponding author on reasonable request.
Dua dimensi
Three dimensional
Tabung nano karbon
Dinamika molekuler
Boron nitrida heksagonal
Metal organic framework
Lennard–Jones
Potential of mean force
bahan nano
Abstrak Spintronics adalah teknologi yang paling menjanjikan untuk mengembangkan perangkat elektronik alternatif multi-fungsi, kecepatan tinggi, dan energi rendah. Karena karakteristik fisiknya yang tidak biasa, material dua dimensi (2D) yang muncul menyediakan platform baru untuk menjelajahi peran
Instalasi pemurnian air memainkan peran penting dalam kesehatan dan keselamatan masyarakat. Tanpa mereka, kualitas air menurun, dan mikroorganisme penyebab penyakit dan kontaminan dapat memasuki pasokan air, menyebabkan penyakit seperti penyakit pencernaan, masalah reproduksi, dan gangguan neurologi
Ballcock adalah perangkat yang dirancang untuk memungkinkan pengisian tangki air tanpa meluap. Anda mungkin juga mendengar ballcock yang disebut sebagai balltaps atau fill valves, dan contoh ballcock yang paling terkenal adalah rakitan yang digunakan di sebagian besar toilet modern. Penemuan ballcoc
Jaket air adalah perangkat yang menggunakan air untuk mempertahankan suhu yang bisa diterapkan di sekitar mesin. Salah satu contoh jaket air yang lebih umum adalah selungkup yang ditemukan di sekitar blok silinder pada mesin. Dengan menggunakan air untuk membantu menjaga mesin agar tidak terlalu pan