[發明專利]一種膜污染仿真模擬分析方法

有效

• 申請號: 201911330349.0
• 申請日: 2019-12-20
• 公開（公告）號: CN110929426B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 安子韓;趙河立;徐國榮;徐克;劉艷輝;李強
• 申請（專利權）人: 自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C10/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

1.一種膜污染仿真模擬分析方法，其特征是，包括如下步驟：

(1)膜材料結構模型搭建和污染物模型搭建；

(2)將步驟(1)搭建的兩種模型按照真實的溶液過濾狀態進行不同水體溶液過濾模型的搭建及計算；

所述步驟(1)膜材料包含聚偏氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、醋酸纖維素中的單一組分聚合物膜材料或其中2-3種聚合物共混膜材料；

上述聚合物膜材料結構模型搭建步驟具體如下：

首先，將選定的上述聚合物膜材料在Materials Studio軟件聚合物創建模塊中定義首尾原子的重復單元，使用Build polymers/Repeat Unit工具；

基于上述重復單元，構建聚合度1-100的聚合物聚合度閾值域，使用Build Polymers/Homopolymer工具；

其次，在單鏈初始模型基礎上，基于蒙特卡洛的方法，填入1-200條鏈，搭建聚合物膜材料的無定型薄膜三維空間構型，并根據實際膜孔隙結構對搭建的聚合物無定型薄膜進行空隙百分比設定；

再次，在聚合物無定型薄膜基礎上，進行幾何優化、退火計算，提取全局最優構型，進行固定溫度、壓強條件下的充分的動力學平衡，基于動態平衡的結構統計其構型的特點；

最后，基于動態平衡結構的動力學軌跡，計算內聚能密度，考察分子間相互作用力的強弱，進而形成穩定結構的選定聚合物膜材料結構模型；

所述步驟(1)無機膜材料包含：

碳納米管、石墨、氧化石墨烯、水泥中的單一組分無機物膜材料或其中2-3種無機物共混膜材料；

上述無機物膜材料結構模型搭建步驟具體如下：

首先，將選定的上述無機物膜材料在Materials Studio軟件無機物創建模塊中，通過設定合適的尺寸、功能基團，創建無機膜材料初始態結構模型，使用Build Inorganics/Size工具和Build菜單/Build Inorganics/Groups工具；

然后，對得到的無機膜材料初始態結構模型進行幾何優化、退火計算，提取全局最優構型，進行固定溫度、壓強條件下的充分的動力學平衡，基于動態平衡的結構統計其構型的特點；

之后，根據得到的動態平衡的無機膜材料結構模型的動力學軌跡，計算內聚能密度，考察分子間相互作用力的強弱，進而形成穩定結構的選定聚合物膜材料結構模型；

所述步驟(1)污染物包括：

含碳酸鈣、硫酸鈣的無機污染物，含牛血清白蛋白、卵清蛋白或β-微球蛋白、腐殖酸的有機污染物，含硅酸化合物、鐵鋁化合物、藻類的膠體污染物以及金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的微生物污染物中的一種或多種；

無機污染物模型搭建：可根據其晶體信息導入晶體結構，使用Build/Nanostructure/Nanocluster工具，構建各種尺寸的無機納米顆粒；使用Sketch工具構建陰、陽離子和水分子結構；然后，對得到的無機膜材料初始態結構模型進行幾何優化、退火計算，提取全局最優構型，進行固定溫度、壓強條件下的充分的動力學平衡，基于動態平衡的結構統計其構型的特點；之后，根據得到的動態平衡的結構模型的動力學軌跡，計算內聚能密度，考察分子間相互作用力的強弱，進而形成穩定結構的選定無機污染物結構模型；

有機污染物模型搭建：將選定的有機污染物，按照組分、結構進行初始態模型搭建，使用Build polymers/Repeat Unit工具和sketch工具構建分子結構；其余步驟同上述有機污染物模型搭建過程；

膠體污染物模型搭建：根據實際結構構建陰、陽離子和水分子結構；其余步驟同上述有機污染物模型搭建過程；

微生物污染物模型搭建：步驟同上述有機污染物模型搭建過程；

所述步驟(2)不同水體溶液過濾模型包含但不限于單一膜材料-溶液模型、單一膜材料-單一污染物-溶液模型、單一膜材料-復合污染物-溶液模型、復合膜材料-復合污染物-溶液模型中的一種或多種模型；

水體溶液過濾模型搭建：

首先將建好的膜材料模型、污染物模型輸入至Materials Studio軟件中，激活建好的模型文件，格式為“*.xsd”，修改晶胞參數；

然后使用Tool工具/Atom VlumesSurfaces創建等值面，然后翻轉等值面，之后，使用基于蒙特卡洛的方法，填充溶液，搭建溶液、無定型薄膜結構，并在搭建好后刪除等值面；

最后，將上述搭建好的模型進行幾何優化、退火計算，提取全局最優構型，進行固定溫度、壓強條件下的充分的動力學平衡，基于動態平衡的結構統計其構型的特點；

所述步驟(2)不同水體溶液過濾模型計算：

首先，不同水體溶液過濾模型計算界面及過程運用分子力學動力學方法可對設計的運行基礎環境非周期性體系以及膜材料、污染物周期性體系進行可靠的結構優化和能量計算；包含多種結構優化方法和自動調整優化方法的Smart工具及多種控溫函數和多種控壓函數實現構型仿真和結構各向異性最大化，實現多種膜材料結構、相互作用能計算和分析計算任務的批處理；

其次，不同水體溶液過濾模型計算結果參數包含在較大的溫度和壓力范圍變化下進行分子動力學模擬時得到吸附結構、分子構型變化、相互作用能、相互間作用力實時變化、原子的二維/三維空間分布信息；同時可得到動力學計算軌跡文件及結構相關的性質：鍵長、鍵角、扭轉角時間分布曲線、濃度分布曲線、密度場、徑向分布函數、回轉半徑的幾率分布、空間取向、沿一定方向的平均速度、溫度分布曲線、擴散系數、偶極自相關函數、應力自相關函數、系綜漲落函數、距離指向轉動相關函數、位移時間相關函數、速度自相關函數若干相關函數文件；可得到仿真模擬長期過濾過程結束后的動能、勢能及其組成隨時間變化曲線，壓力、溫度分布曲線，晶格參數、密度分布曲線，吸附量-時間曲線，污染物構型參數，溶液濃度曲線。