摘要
已有研究表明,外加电场能显著改变纯水蒸发过程和蒸发速率。为了探究外加电场对高盐溶液微观结构和蒸发性质的影响,采用分子动力学模拟方法对纯水和LiCl、KCl和CaCl23种盐溶液在平行液面(x方向)和垂直液面方向(z方向)上布置外加电场来观察其蒸发过程。模拟计算分析了电场对蒸发速率、水分子取向、氢键以及水合离子的影响,并且观察比较了电场下不同离子在溶液中的运动。结果显示,与纯水相反,平行液面的电场能显著提高盐溶液中自由水分子的占比,当平行液面电场强度从0变为0.3 v·n
我国工业生产中产生的大量高盐废水已经成为亟待解决的环境问
在溶液蒸发领域的研究过程中,学者们发现外加电场会对溶液蒸发产生影
上述研究对纯水、低浓度盐溶液在电场作用下的分析较多,对高浓盐溶液在电场作用下的蒸发过程缺乏了解。为了进一步探究外加电场对高浓度盐溶液的影响,本文采用分子动力学模拟方法研究了纯水、LiCl、KCl和CaCl23种溶液在平行液面和垂直液面方向(x和z方向)上布置外加电场的蒸发过程,分析了电场对水分子取向、氢键、水合离子以及蒸发速率的影响。
本文模拟体系的初始物理模型如

图 1 模拟体系示意图
Fig. 1 Schematic diagram of the simulation system
本文所有模拟均应用LAMMPS(large-scale atomic molecular massively parallel simulator)软件作为分子动力学模拟平台。由于Lennard-Jones势能模型具有形式简单,对水分子和离子组成的简单体系描述准确,并能节省计算时间等优点。本文所有模拟均选取添加库仑项的Lennard-Jones势能模型描述粒子间的相互作用,其具体表达式如下:
(1) |
式中:为粒子和之间的势能;r为粒子之间的距离(1
对于各种单个粒子的势能函数参数设置已有大量的公开研究文献,当模拟对象包含2种及以上粒子时,不同粒子间的势能参数则需根据一定规则获得。在Lennard-Jones势中,不同粒子间的势能参数常由Lorentz-Berthelot混合法
(2) |
(3) |
式中:、、、为两种不同粒子的作用直径(1
粒子 | ε/(kcal·mo | σ /1 | q /e |
---|---|---|---|
L | 0.164 9 | 1.505 | +1 |
| 0.100 0 | 3.331 | +1 |
C | 0.450 0 | 2.361 | +2 |
C | 0.100 0 | 4.400 0 | -1 |
Cu | 1.929 7 | 4.720 0 | 0 |
注: e为1.602176565×1
在研究电场下盐溶液的蒸发性质时,需要对其施加一匀强电场,电场中的带电粒子均受到电场力作用,且在蒸发过程中该力不随时间改变。由于水分子具有极性,可看作由带正电的氢原子和带负电的氧原子组合而成,因而溶液中的水分子和盐离子均受电场力作用。在本研究中对盐溶液施加电场的设置是通过Lammps软件对盐溶液中的每个粒子施加一恒定方向和大小的外力Fe实现的,其中
(4) |
式中:q为粒子所带电量(e);E为外加电场强度(v·1

图 2 不同电场下纯水体系中蒸发分子数随时间变化
Fig. 2 Variation of the number of evaporated molecules in pure water system with time under different electric fields

图 3 不同电场下纯水的径向分布函数
Fig. 3 Radial distribution function of pure water under different electric fields

图 4 不同电场对纯水体系中水分子的速度概率分布比值
Fig. 4 Velocity probability distribution of water molecules in pure water system with different electric fields

图 5 电场对纯水形成氢键的影响
Fig. 5 Influence of electric field on the formation of hydrogen bonds in pure water
为进一步探究电场对水分子形成氢键影响的机理,有必要对水分子的取向进行分析,

图 6 电场方向对水分子排列分布概率的影响
Fig. 6 The effect of electric field direction on the arrangement of water molecules

图 7 水分子排列方向对其形成氢键的影响
Fig. 7 Influence of water molecule arrangement direction on its hydrogen bond formation

图 8 500K,Ex=0.3 v·n
Fig. 8 System screenshots at different evaporation times of three salt solutions at 500K, Ex=0.3 v·n

图 9 不同电场下盐溶液蒸发分子个数随时间变化
Fig. 9 Variation of evaporation molecules of salt solution with time under different electric fields

图 10 电场存在对离子周围水分子排布概率的影响
Fig. 10 Influence of the presence of electric field on the arrangement of water molecules around ions

图 11 不同电场下盐溶液蒸发分子数随时间变化
Fig. 11 Variations of evaporation molecules of salt solution with time in different electric fields
为了解电场下溶液中各离子的运动情况,分析计算了模拟过程中离子的平均移动距离,并做出了离子在周期性边界方向(x,y方向)的移动距离随时间变化图。

图 12 x方向上电场强度为0.3 v·n
Fig. 12 The moving distance of each ion in the x and y directions when the electric field strength in the x direction is 0.3 v·n
KCl溶液中
溶液中两种离子的相向运动会使水化层中的水分子更易脱落,拉近两个水合离子间水分子的距离,生成更多的高能水分子,还会导致阴离子易与阳离子结合在一起形成整体不带电的离子对团而降低离子的移动速度。

图 13 x方向上0.3 v·n
Fig. 13 tR probability distribution under an electric field of 0.3 v·n

图 14 4种离子在x方向0.3 v·n
Fig. 14 tR and Nin of four ions in the x-direction at 0.3 v·n
由此可以看出,电场可以使水合离子中的水分子更易逃脱离子束缚,蒸发加速。
溶液中自由水分子比例对蒸发速率具有重要影响,为进一步验证外加电场对盐溶液中各部分水分子比例的影响,计算了在沿x轴和z轴两种方向的0.3 v·n
占比/% 溶液工况 | 自由 水分子 | 第1水化层水分子 | 第2水化层水分子 |
---|---|---|---|
LiCl溶液 | 22.9 | 36.3 | 40.8 |
LiCl溶液+0.3 v·n | 33.9 | 30.8 | 35.3 |
LiCl溶液+0.3 v·n | 21.8 | 36.5 | 41.7 |
KCl溶液 | 24.0 | 38.0 | 38.0 |
KCl溶液+0.3 v·n | 33.1 | 33.9 | 33.0 |
KCl溶液+0.3 v·n | 24.5 | 38.3 | 37.2 |
CaCl2溶液 | 13.5 | 51.1 | 35.4 |
CaCl2溶液+0.3 v·n | 21.0 | 45.4 | 33.6 |
CaCl2溶液+0.3 v·n | 13.2 | 51.2 | 35.6 |
相较未加电场时,LiCl、KCl和CaCl2溶液中自由水分子占比分别增加了48%,38%和56%,这可能与电场下水合离子的合并有关。

图 15 x方向电场下
Fig. 15 Combination of
(7) 活跃水分子占比
本节计算统计了500K不同电场条件下纯水和3种盐溶液中的活跃水分子占比。由

图 16 500K下纯水和溶液中活跃水分子占比
Fig. 16 Proportion of active water molecules in pure water and solution at 500K
示x方向上的电场能有效的提升3种盐溶液中活跃水分子数,能清晰的看出提升效果KCl>LiCl>CaCl2,z方向上的电场则对活跃水分子数无影响。这是因为x方向电场下水分子在离子的带动下相互挤压碰撞,更可能与其它水分子间存在极短的距离从而变成活跃水分子。电场对纯水和3种盐溶液中活跃水分子占比的影响与本章前段电场对各溶液蒸发速率的影响完全吻合,说明活跃水分子占比对蒸发速率的影响很大,提高溶液体系中活跃水分子的占比可以显著提高蒸发速率。
本文模拟研究了500K下纯水、LiCl、KCl和CaCl2溶液在蒸发过程中外加电场电场方向和强度对蒸发速率、水分子取向、氢键和水合离子结构的影响,结论如下:
(1) 平行液面方向的电场对盐溶液的蒸发促进作用随着电场强度的增加而不断增强。在平行液面方向上外加0.3 v·n
(2) 平行液面方向的电场会抑制盐溶液中氢键的形成,电场强度越大,抑制作用越强烈;离子会在平行电场的作用下在盐溶液中定向移动,其中阳离子沿电场方向移动,阴离子则相反,阳离子中
(3) 平行液面方向的电场能显著提高盐溶液中自由水分子的比例,相较未加电场时,LiCl,KCl和CaCl2溶液中自由水分子占比分别提高了48%,38%和56%。
(4) 平行液面方向的电场会抑制纯水的蒸发,垂直液面方向的电场则会促进纯水的蒸发,但是这种抑制/促进作用较电场对盐溶液的影响降低。
在本文中模拟的高盐溶液均只是某单一成分的盐溶液,而实际工程中的高盐废水成分十分复杂,离子种类繁多。在未来对盐溶液蒸发的模拟研究中,可以针对含有多种盐类物质的复盐溶液进行更进一步的模拟研究,并结合实验,从而对实际盐溶液的蒸发过程有更精准的认识。
作者贡献声明
吴志根:提供研究思路,论文撰写和修改;
吴少文:资料收集,计算模拟,论文撰写;
颜子涵:资料收集,论文撰写和修改;
齐孝圣:资料收集,论文修改。
参考文献
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