[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

本發明公開了一種膜污染仿真模擬分析方法，借助于Materials Studio軟件聚合物模塊功能，通過搭建經典聚合物膜、無機膜等膜材料模型，無機、有機、膠體、微生物等常規污染物模型，經過系統計算、優化，確定最終的最優化模型，并以此為基礎構建針對不同水體溶液的計算界面模型。同時，結合分子力學、動力學方法對設計的運行基礎環境非周期性體系以及膜材料、污染物等周期性體系進行可靠的結構優化和能量計算，并調控運行參數，得到長期運行下膜表面參數，分子構型參數，相互作用參數，水體溶液組分等一系列二維、三維結果參數。該膜污染仿真模擬分析方法可針對不同水體和不同膜做各種類型模擬，方法靈活、簡單、新穎。

技術領域

本發明屬于材料物理交叉學科領域，涉及一種膜污染仿真模擬分析方法。

背景技術

膜分離技術以其易操作、低能耗、高效率等特點被廣泛應用于水處理領域。然而在實際的運行過程中，限制其應用的最大障礙是在過濾過程中的膜污染問題。研究至今，超濾膜污染主要是因為污水中大量存在的無機膠體顆粒、溶解性有機物大分子及微生物等在過濾進程中逐漸在膜表面因為吸附、截留等逐漸在膜表面沉積形成污染層，引起膜孔窄化或堵塞，導致膜通量減小及膜性能的急劇下降，嚴重降低了膜使用壽命，從而大大增加膜更換頻率，進而提高系統運行成本。工業上衡量膜更換頻率的方法主要是通過通量下降和出水質量下降，但這種方法只能反映膜系統總體變化，且無法通過長時間運行來實際表征膜組件受污染的程度。因此，無法精準、高效地制定更換膜頻率。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種膜污染仿真模擬分析方法，為精準、高效地制定更換膜頻率提供建設性指導。

本發明的技術方案概述如下：一種膜污染仿真模擬分析方法，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(PVDF)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSF)、聚酰胺(PAN)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、醋酸纖維素(CA)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BuildPolymers/Homopolymer工具；

其次，在上述單鏈初始模型基礎上，基于蒙特卡洛的方法(Amorphous Cell模塊/Amorphous Cell Calculation/Setup/Task/Confined Layer工具)，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，對上述聚合物無定型薄膜基礎上，進行幾何優化(ForciteCalculation/Setup/Task/Geometry Optimization工具)、退火計算(ForciteCalculation/Setup/Task/Anneal工具)，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(Forcite Calculation/Setup/Task/Dynamics工具)，基于動態平衡的結構統計其構型的特點；

最后，基于上述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。