[发明专利]一种基于分子动力学模拟和水处理的改性蒙脱石吸附性能预测方法

权利要求书

1.一种基于分子动力学模拟和水处理的改性蒙脱石吸附性能预测方法，主要包括构建模型、分子动力学模拟的进行、吸附结果分析三个步骤，其特征在于利用GROMACS软件包进行了分子动力学模拟，得到的蒙脱石层间域快照、原子密度分布、径向分布函数以及自扩散系数可对改性蒙脱石性能和机理进行预测；

根据所述的一种基于分子动力学模拟和水处理的改性蒙脱石吸附性能预测方法，其特征在于：利用GROMACS软件包进行了分子动力学模拟，并将分析结果运用于改性蒙脱石吸附性能的预测，分子动力学模拟步骤如下：

步骤1：根据水处理时使用的蒙脱石类型，构建了蒙脱石结构模型，晶胞参数为Na_0.75Al_3.25Mg_0.75Si₈O₂₀(OH)₄·nH₂O，蒙脱石模型的构建遵循Loewenstein规则，即任何两个原子取代位点不相邻，建立4×4×2的蒙脱石超晶胞，片层中所带的八面体电荷数为24，再根据蒙脱石改性时常用的三种季铵盐：十六烷基三甲基铵离子、十烷基三甲基铵离子、四甲基铵离子分别建立模型，同时对苯酚建立一个污染物模型；

步骤2：构建有机蒙脱石液相体系，利用结构构建程序Packmol将三种改性剂的模型：十六烷基三甲基铵离子、十烷基三甲基铵离子、四甲基铵离子分别以不同层间金属阳离子的交换量置入蒙脱石模型的层间，构建三种不同改性剂改性的有机蒙脱石模型，同时根据实验中水环境下改性蒙脱石的底面间距进行估算，然后再次根据Packmol程序放入适量的水分子，借此构造与实验数值贴近的水饱和体系；

步骤3：对于水饱和体系下的有机蒙脱石，根据实验测得的水分子体积粗略估算出水分子数量，再进行微调使其d₀₀₁值与实验相吻合，计算方法如下式：

其中N_water是水分子的数量，V_water是实验根据d₀₀₁值和CTMA体积估算的层间域内水分子所占体积，ρ_water是层间域内水的密度；

步骤4：基于步骤2中得到的有机蒙脱石液相体系并进行几何优化，分子动力学模拟过程采用经典的Born能量模型，在此能量模型中，原子之间的相互作用包含了长程的库伦作用和短程的范德华作用，其中长程作用项采用Ewald计算方法，而短程作用项采用经典分子力场，由步骤1中得到的蒙脱石体系，其中蒙脱石分子力场采用CLAYFF力场，改性剂与污染物采用OPLS-AA力场，水分子采用单点电荷SPC/E力场，并对其进行几何优化，找到局部最优构象，几何优化具体为首先采用最速下降法，当体系的能量下降到10Kcal/mol时，其优化方法由最速下降法转变为共轭梯度法或牛顿法进行更精确的优化，直至体系的能量收敛至1*10^-5Kcal/mol；

步骤5：对蒙脱石－吸附质液相体系进行动力学计算，在300K下先采用NPT系综模拟3.0ns，使体系达到平衡，随后，再采用NVT系综模拟1.5ns统计层间域密度分布、径向分布函数和自扩散系数的结构和动力学信息，对步骤4中的全局最优构象进行动力学模拟时，温度控制采用Nose热浴法、压力控制采用Berendsen恒压法，范德华作用力设定为Atom-based截断法，静电相互作用力设定为Ewald法，截断距离为

步骤6：分子模拟结果可以直观得到研究体系原子尺度的微观结构，由吸附污染物后的快照，可以直接观察到不同改性剂改性后蒙脱石层间域吸附污染物的量，以及蒙脱石层间改性剂、污染物和水分子的空间分布，分子模拟结果中的密度分布、径向分布函数、自扩散系数分析的结果可以对改性蒙脱石对于水中污染物吸附过程的机理进行分析；

分子动力学模拟得到的快照中可以清晰地观察到不同改性剂的运用下，吸附指定污染物能力的变化；

分子动力学模拟得到的原子密度分布，用于分析层间原子的空间分布情况，主要是z轴方向的密度剖面，分析蒙脱石层间域中改性剂的排列方式；

分子动力学模拟得到的径向分布函数，用于反应两类原子间距离的概率密度，判断特定结构的形成，进行污染物与蒙脱石表面氧和改性剂有机链之间的相互作用的比较，得到污染物在层间域中的主要吸附位置；

分子动力学模拟得到的自扩散系数，用于反映反应物偏移随时间的变化。