[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

说明书

本发明公开了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的预测方法，该方法采用GROMACS软件包，在软件中提供蒙脱石吸附抗生素的模拟和分析，根据模拟中需要的各化学物质进行建模，结合实验中的参数进行模拟计算，对得到的模拟结果进行分析。利用分子动力学模拟方法，在模拟结果的快照中可以直观地发现吸附实验的效果，结合自扩散系数、密度分布函数和径向分布函数可以对模拟范围内的实验进行实验机理分析和判断，以此为结果，找出性能最佳的改性蒙脱石。本发明能够验证实验中有机蒙脱石吸附有机物的吸附机理，有助于有机改性蒙脱石的吸附性能，提高吸附效率，同时也为有机污染物吸附材料的设计研发和结构优化提高理论参考，缩短研发周期。

技术领域

本发明涉及水处理以及分子模拟领域，特别涉及一种探究污染物在改性蒙脱石上吸附性能的预测方法。

背景技术

近年来，城市生活污水和工农业废水的不合理排放，水体中出现了残留的药物和个人防护品，其中以有机污染物检出频率最高。有机污染物在水中的残留，对地表水环境质量有重大影响，进而威胁到人类的健康以及环境的安全。这与人们对高质量水质的需求越来越冲突。有机污染物在水中难以降解，处理起来难度较大，经过物理化学、生物法等一系列传统的水处理后，有时仍需要吸附法等技术进行深度处理。蒙脱石是自然界中广泛存在的一种2：1型硅酸盐矿物，拥有储量丰富、价廉易得、性能优越以及大比表面积、离子交换性、膨胀性、吸附性和较稳定的化学性质等出众的优点，被广泛地运用于吸附法中。但在吸附法的运用中，为了保证吸附的平衡，通常需要耗费研究人员几小时甚至几天的时间。并且使用蒙脱石吸附有机污染物的同时，需要采用一些活性剂对蒙脱石进行改性，以达到更好的吸附效果，而制备有机改性蒙脱石研究其特性的尝试会耗费研究人员大量的时间和精力。

分子模拟技术的发展，使得研究和预测某些材料的性质已成为可能。其中分子动力学主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，在力场的作用下，分子的运动轨迹服从牛顿运动方程，因此可以得到任一原子任意时刻的速度和位置，进而得到体系在一定时间内的运动情况，再通过统计力学方法得到体系的相关物理量。针对蒙脱石开展的模拟工作，大多是在无水环境所进行，这是因为水分子的加入会对各组分都造成影响。但在实际水处理应用中，水分子的存在会对蒙脱石的底面间距有一定的作用，并对各组分造成影响，对吸附结果造成一定的影响。本专利将水分子纳入考虑范围中，使模拟过程更符合实际情况，以达到模拟与实际更为相符的效果。

利用吸附法处理水中残留的苯酚，优点为价格低廉且吸附效果突出，减少水中苯酚的残留，避免人类健康收到侵害。使用吸附法处理污染水的关键是吸附剂的确定，本发明所提出的利用分子动力学模拟预测吸附剂性能的方法可以快速、大致判断出吸附剂的吸附效果。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于分子动力学模拟的改性蒙脱石吸附性能预测方法。其中步骤1样品采集包括以下步骤：

一种基于分子动力学模拟的改性蒙脱石吸附性能的预测方法，主要包括三个步骤：构建模型、进行分子动力学模拟、分析模拟结果。

步骤1(a)：根据水处理时使用的蒙脱石类型，构建了蒙脱石结构模型，晶体化学式为Na0.75Al3.25Mg0.75Si8O20(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，即将已建立的蒙脱石模型中的铝原子按一定比例随机置换成镁原子。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。在本发明中，因我们将四环素作为污染物对象，故也针对四环素建立一个污染物模型。

步骤1(b)：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、十二烷基三甲基铵离子、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。