CN108334737A - 一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及破乳剂领域，具体地，涉及一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法。该方法包括：建立形成乳液的油相分子和水分子以及待测破乳剂分子的结构模型；采用优化后的油相分子和水分子的结构模型建立无定型晶胞A1，并优化得到稳定的无定型晶胞A2；采用破乳剂分子的结构模型建立无定型晶胞B1，并优化得到稳定的无定型晶胞B2；对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟，得到其动力学模型，而后加入稳定的无定型晶胞B2并进行动力学模拟；基于密度泛函理论，分析相互作用方式并相互作用能，并比对。本发明的方法利用分子模拟乳液中分子间的行为，分析它们彼此间的相互作用方式和相互作用能，从而预测破乳剂的破乳效果，以此筛选破乳剂。

Description

一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法
技术领域
本发明涉及破乳剂领域，具体地，涉及一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法。
背景技术
目前世界正处于以石油和天然气为主的能源时期，“石油黑金”“石油血液”是人们对石油经济价值和社会价值的形象比喻，说明了石油在当今社会的极端重要性。石油由商品变成世界性的“战略物资”，石油作为世界的不可再生资源，它的开采有着不可忽视的地位，各种高科技的应用，一次次的技术创新，不断提高石油开采的水平。然而石油开采技术的不断发展随之带来了新的问题：油水乳状液的脱盐脱水问题。乳状液中盐和水的存在会导致设备腐蚀和催化剂中毒等一系列问题，因此在对重油和天然沥青炼制之前必须对油水乳状液进行破乳脱水处理。我国研发人员多采用瓶试法对破乳剂进行破乳效果的测试与评估，这种筛选破乳剂的方法盲目性大、工作繁琐、费时费力。
发明内容
本发明的目的针对现有的破乳剂筛选方法存在的上述缺陷，提供了一种新型的、依靠分子模拟技术快速完成破乳剂筛选的基于分子模拟的破乳剂筛选方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法，该方法包括：
(1)建立形成乳液的油相分子和水分子以及待测破乳剂分子的结构模型，并对各个结构模型进行优化；
(2)根据乳液的密度采用优化后的油相分子的结构模型和水分子的结构模型建立油相分子-水分子的无定型晶胞A1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞A2；
(3)采用优化后的待测破乳剂分子的结构模型建立待测破乳剂分子的无定型晶胞B1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞B2；
(4)对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟，得到油相分子-水分子的动力学模型，而后加入稳定的无定型晶胞B2并进行动力学模拟；
(5)基于密度泛函理论，分析油相分子间、油相分子和水分子间以及油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能，并进行比对。
本发明的方法利用分子模拟所涉及的分子力学、分子动力学和量子化学的计算方法，模拟乳液的油相分子和水分子以及待测破乳剂分子间的行为，分析它们彼此间的相互作用方式和相互作用能，从而预测待测破乳剂分子的破乳效果，以此筛选破乳剂。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是沥青质分子稳定构型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子。
图2是破乳剂分子A的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，未标记的黑色小球是氧原子。
图3是破乳剂分子B的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，黑色小球是氧原子，标记的灰色小球是氮原子。
图4是破乳剂分子C的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，未标记的黑色小球是氧原子。
图5是破乳剂分子D的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，黑色小球是氧原子，标记的灰色小球是氮原子。
图6是破乳剂分子E的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，黑色小球是氮原子，双键连接的灰色小球是氧原子。
图7是破乳剂分子ABSA的结构模型，其中，未标记的灰色小球是碳原子，未标记的白色小球是氢原子，黑色小球是氧原子，与苯环和三个氧原子且标记的原子为硫原子。
图8是分子动力学模拟之后的沥青质分子-水分子的结构构型，其中，水分子和沥青质分子相互稳定地混在一起，并未分开。
图9是加入破乳剂分子ABSA后的动力学模拟所得的沥青质分子-水分子-破乳剂分子ABSA的结构构型，其中，水分子和沥青质分子被破乳剂分子ABSA分开。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法，该方法包括：
(1)建立形成乳液的油相分子和水分子以及待测破乳剂分子的结构模型，并对各个结构模型进行优化；
(2)根据乳液的密度采用优化后的油相分子的结构模型和水分子的结构模型建立油相分子-水分子的无定型晶胞A1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞A2；
(3)采用优化后的待测破乳剂分子的结构模型建立待测破乳剂分子的无定型晶胞B1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞B2；
(4)对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟，得到油相分子-水分子的动力学模型，而后加入稳定的无定型晶胞B2并进行动力学模拟；
(5)基于密度泛函理论，分析油相分子间、油相分子和水分子间以及油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能，并进行比对。
根据本发明，所述油相分子可以为任何能够与水形成乳液的油相分子，然而本发明特别适用于沥青质和水形成的乳液的破乳剂的筛选。其中，步骤(1)中建立油相分子和水分子以及待测破乳剂分子的结构模型可以采用Materials Studio(MS)软件进行，即在MS软件中分别画出油相分子、水分子以及待测破乳剂分子的分子结构，由MS软件形成各自的结构模型。并且，之后的步骤(2)-(4)的操作都可在Materials Studio(MS)软件中进行。所述MS软件例如可以为美国BIOVIA公司研发的Materials Studio(MS)软件。
根据本发明，上述方法中的优化都可以采用同样的优化方法，例如，所述优化采用的是能量最小化方法。更优选地，所述优化包括：采用COMPASSⅡ立场(如Forcite模块中)和Smart Minimizer方法(如Forcite模块中)，非键作用采用范德华力和库仑力。具体地，该优化的操作可以包括：采用COMPASSⅡ立场，非键作用采用van der Waals和库仑力，叠加处理法选用Group Based，精度采用ultra-fine，原子的截断半径为(例如为)，选择Smart Minimizer方法，收敛水平选取ultra-fine。
根据本发明，步骤(2)和步骤(3)分别先建立无定型晶胞A1和无定型晶胞B1，而后分别优化得到稳定的无定型晶胞A2和稳定的无定型晶胞B2(优化方法如上文中所介绍的)。其中，应当理解的是，步骤(2)和(3)中，优选采用周期性边界条件建立无定型晶胞A1和无定型晶胞B1。
根据本发明，无定型晶胞A1中的油相分子和水分子的数量设置是根据实际体系质量百分数(也可根据密度)进行调节的。针对沥青质分子来说，该乳液的密度优选为0.9-0.96g/cm3。而无定晶胞B1中破乳剂分子的数量是根据乳液中的油水含量进行调节。应当理解的是，当破乳剂分子为聚合物时，为了加快分子模拟的速度，可以简化破乳剂分子的结构，例如采用结构单元数量有所减少的聚合物分子替代原大分子进行模拟，结果仍然符合本发明的规律。
根据本发明，步骤(4)对上述稳定的无定型晶胞A2和加入了稳定的无定型晶胞B2后的模型进行动力学模拟。优选地，步骤(4)中，采用Materials Studio(MS)软件中的NPT系综进行所述动力学模拟。例如，选择MS软件中的Forcite模块的Dynamics进行上述动力学模拟。更优选地，所述动力学模拟的条件包括：压力为0.0001-0.0005GPa，温度为298-418K，时间步长为0.5-2fs(例如为1fs)，模拟总时长为2-10ns。对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟后，在该动力学模拟后的构型基础上，放入稳定的无定型晶胞B2，并选用Forcite模块中的Dynamics，采用上述动力学模拟的条件范围(优选选用与对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟相同的条件)内的参数进行动力学模拟。其中，对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟后，将得到水乳交融的乳液模型，由此说明乳液中油相分子间、水分子间以及油相分子和水分子间的相互作用情况。在加入稳定的无定型晶胞B2并进行动力学模拟后所得模型，则是破乳后的油水基本分开的体系模型，由此说明该体系中破乳剂与油相分子、破乳剂与水分子间的相互作用情况。因此，在水乳交融的乳液模型中，水分子和油相分子分散较为均匀，并不能分开。而在破乳后的油水基本分开的体系模型，水分子和油相分子基本被破乳剂分开，其各自本身或与破乳剂相互作用。
根据本发明，步骤(5)将基于密度泛函理论，分析油相分子间、油相分子和水分子间以及油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能，并进行比对，由此评价待测破乳剂的破乳效果。该分析计算采用的是Amsterdam Density Functional(ADF)模拟软件进行，例如荷兰计算化学软件公司研发的Amsterdam Density Functional(ADF)模拟软件。为了能够更为准确地分析计算上述作用方式和作用能，优选地，所述密度泛函理论为GGA-D[PBE-D3(BJ)]泛函，ADF模拟软件采用DZ2P基组；特别是采用不冻芯处理。
根据本发明，所述相互作用能可以为本领域常规的各种分子间的相互作用能的总和，优选地，所述相互作用能为静电能、轨道能和色散能的总和。本发明进行比对的方式可以包括：当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和水分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果。
为了获得更优异的破乳剂，优选地，当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能既高于油相分子和水分子间的相互作用能，又高于油相分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果。
本发明的步骤(5)还可以包括分析水分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能。基于该过程，更优异的破乳剂优选满足：当水分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和水分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果。
根据本发明，应当理解的是，本发明可以选用本领域常规的破乳剂作为参照破乳剂分子，并经过本发明的上述方法进行计算，得到该参照破乳剂分子与油相分子和水分子间的相互作用能。然后，再将待测破乳剂经过同样的方法进行计算，得到该待测破乳剂与油相分子和水分子间的相互作用能。通过比对，参照破乳剂分子和待测破乳剂分子各自与油相分子和水分子间的相互作用能，来鉴定待测破乳剂的破乳效果。可以预估的是，当待测破乳剂分子与油相分子的相互作用能比参照破乳剂分子与油相分子的相互作用能更高，那么该待测破乳剂分子将具有比参照破乳剂分子更优异的破乳效果，反之则破乳效果更差，基于这样的方式也可以筛选比现有的破乳剂破乳效果更为优秀的破乳剂。也即，优选地：
该方法还包括：将已知破乳剂分子作为参照破乳剂分子，建立参照破乳剂分子的结构模型，并对其进行优化；而后优化后的参照破乳剂分子的结构模型建立参照破乳剂分子的无定型晶胞C1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞子C2；将稳定的无定型晶胞C2放入油相分子-水分子的动力学模型并进行动力学模拟；基于密度泛函理论，分析油相分子和参照破乳剂分子的相互作用方式并计算相互作用能。
当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和参照破乳剂分子的相互作用时，该待测破乳剂分子的破乳效果比参照破乳剂分子的好。
其中，对参照破乳剂分子进行分子模拟的各个环节的操作与对待测破乳剂分子进行的分子模拟的各个环节的操作优选相同，可参考上文中的描述进行。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中：
MS软件为美国BIOVIA公司研发的Materials Studio(MS)软件。
ADF模拟软件为荷兰计算化学软件公司研发的Amsterdam Density Functional(ADF)模拟软件。
沥青质分子的化学式为C47H41ONS2；
破乳剂A购自南京汉德化工有限责任公司，其是以醇类化合物为起始剂的嵌段聚醚破乳剂，其结构式为
破乳剂B购自南京汉德化工有限责任公司，其是以胺类化合物为起始剂的嵌段聚醚破乳剂，其结构式为
破乳剂C购自南京汉德化工有限责任公司，其是以酚醛树脂为起始剂的嵌段聚醚破乳剂，其结构式为
破乳剂D购自南京汉德化工有限责任公司，其是一种酚胺醛树脂嵌段聚醚破乳剂，其结构式为
破乳剂E是结构式为的破乳剂。
破乳剂ABSA是购自南京汉德化工有限责任公司，其是一种嵌段聚醚破乳剂，其结构式为
制备例1
破乳剂E的制备过程包括：
(1)在冰浴条件下，将乙二胺8.9mL溶解于甲醇50mL中，所得混合物滴入冰浴中的丙烯酸甲酯96mL中，滴加完毕后升温至35℃搅拌反应24小时，而后减压旋蒸(该过程保持温度在30℃之下)，得到剩余物；
(2)将剩余物(20.24g)溶解于甲醇80mL中，并在冰浴条件下通氮气，且在搅拌下滴加EDA 80.1mL，然后继续通氮气30分钟，撤出氮气管，封口。调整反应温度25℃，搅拌反应24小时。反应完毕后，而后减压旋蒸(该过程保持温度在30℃之下)，得到剩余物即为破乳剂E。
实施例1
本实施例用于说明本发明的基于分子模拟的破乳剂筛选方法。
(1)基于各个分子的化学结构式利用MS软件建立沥青质分子、破乳剂分子A、破乳剂分子B、破乳剂分子C、破乳剂分子D、破乳剂分子E、破乳剂分子ABSA和水分子的结构模型(破乳剂分子A的结构模型如图2所示，破乳剂分子B的结构模型如图3所示，破乳剂分子C的结构模型如图4所示，破乳剂分子D的结构模型如图5所示，破乳剂分子E的结构模型如图6所示，破乳剂分子ABSA的结构模型如图7所示)，并使用MS软件的Forcite模块(采用COMPASSⅡ立场，非键作用选择van der Waals和库仑力，叠加处理方法取Group Based，精度采用Ultra-fine，原子的截断半径为选择Forcite模块中的Smart Minimizer方法)，对上述各个结构模型进行优化，其中，沥青质分子稳定构型如图1所示。
(2)继续采用MS软件，采用周期性边界条件，并用上述优化后的结构模型建立沥青质分子-水分子的无定形晶胞以及各个破乳剂分子的无定形晶胞。其中，设定沥青质和水形成的乳液的密度为0.6g/cm3，温度为298K，从而沥青质分子-水分子的无定形晶胞中沥青质分子个数为200个，水分子个数为3000个；而根据油水乳状液中油水含量，设定各个破乳剂分子的无定型晶胞中破乳剂分子个数为50个。采用步骤(1)中同样的优化方法和相关参数，对各个无定型晶胞进行优化，分别得到稳定的无定型晶胞。
(3)继续在MS软件中，采用NPT系综对步骤(2)中优化后所得的沥青质分子-水分子稳定的无定型晶胞进行动力学模拟，选择Forcite模块中的Dynamics，压力设置为0.0001Gpa，温度为298.15K，时间步长为1.0fs，模拟时间为5ns，分子动力学模拟之后的结构构型如图8所示；
在上述动力学模拟之后的构型基础上，分别放入优化后所得的各个破乳剂分子的稳定的无定型晶胞，选用Forcite模块中的Dynamics进行动力学模拟(参数设置同沥青质-水结构模型的动力学参数设置相同)，其中，加入破乳剂分子ABSA后的动力学模拟所得的沥青质分子-水分子-破乳剂分子ABSA的结构构型如图9所示。
(4)从分子动力学模拟之后的构象出发，利用ADF软件计算沥青质和沥青质之间(以下表示为Asp-Asp)，沥青质和水分子之间(以下表示为Asp-H2O)，沥青质和各个破乳剂之间，包括破乳剂A和沥青质之间(以下表示为A-Asp)、破乳剂B和沥青质之间(以下表示为B-Asp)、破乳剂C和沥青质之间(以下表示为C-Asp)、破乳剂D和沥青质之间(以下表示为D-Asp)、破乳剂E和沥青质之间(以下表示为E-Asp)、破乳剂ABSA和沥青质之间(以下表示为ABSA-Asp)，破乳剂ABSA和水分子间(以下表示为ABSA-Asp)相互作用方式和相互作用能，结果见表1所示：
表1
通过表1可以看出，上述破乳剂分子A-E和ABSA与沥青质分子Asp的相互作用能(即表中的总键能)都比沥青质分子和水分子间的各种作用方式下的相互作用能高，并且，比对下，从破乳效果上看预估破乳剂分子A<B<C<ABSA<D<E。
测试例
采用以下方法测定上述破乳剂分子A-E和ABSA的脱水率(结果如表2所示)，以此验证上述分子模拟的结果，其中，该测试方法是按照GB/T8929-2006中的方法进行测试的：
脱水率是指原油中(原始含水量-脱水后含水量)/原始含水量；
污水是指油水分离后所得水相。
表2
破乳剂 脱水率 污水颜色
A 47％ 浑浊
B 58％ 较清
C 69％ 清
ABSA 70％ 清
D 75％ 清
E 90％ 清
通过上表2可以看出，实验所得的破乳剂分子A-E和ABSA的破乳效果与本发明的分子模拟的方法验证的破乳剂分子A-E和ABSA的破乳效果的结果一致，可用于快速筛选破乳剂。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于分子模拟的破乳剂筛选方法，其特征在于，该方法包括：
(1)建立形成乳液的油相分子和水分子以及待测破乳剂分子的结构模型，并对各个结构模型进行优化；
(2)根据乳液的密度采用优化后的油相分子的结构模型和水分子的结构模型建立油相分子-水分子的无定型晶胞A1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞A2；
(3)采用优化后的待测破乳剂分子的结构模型建立待测破乳剂分子的无定型晶胞B1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞B2；
(4)对稳定的无定型晶胞A2进行动力学模拟，得到油相分子-水分子的动力学模型，而后加入稳定的无定型晶胞B2并进行动力学模拟；
(5)基于密度泛函理论，分析油相分子间、油相分子和水分子间以及油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能，并进行比对。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)-(4)采用Materials Studio(MS)软件进行；步骤(5)采用Amsterdam Density Functional(ADF)模拟软件进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述优化采用的是能量最小化方法；
优选地，采用COMPASSⅡ立场和Smart Minimizer方法，非键作用采用范德华力和库仑力。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，步骤(2)和(3)中，采用周期性边界条件建立无定晶胞A1和无定形晶胞B1。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述油相分子为沥青质；
优选地，所述乳液的密度为0.9-0.96g/cm3。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，步骤(4)中，采用Materials Studio(MS)软件中的NPT系综进行所述动力学模拟；
优选地，所述动力学模拟的条件包括：压力为0.0001-0.0005GPa，温度为298-418K，时间步长为0.5-2fs，模拟总时长为2-10ns。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，所述密度泛函理论为GGA-D[PBE-D3(BJ)]泛函，ADF模拟软件采用DZ2P基组。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，步骤(5)中，所述相互作用能为静电能、轨道能和色散能的总和；
优选地，当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和水分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果；
优选地，当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能既高于油相分子和水分子间的相互作用能，又高于油相分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其中，步骤(5)还包括分析水分子和待测破乳剂分子间的相互作用方式并计算相互作用能；
优选地，当水分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和水分子间的相互作用能时，该待测破乳剂分子具有破乳效果。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括：将已知破乳剂分子作为参照破乳剂分子，建立参照破乳剂分子的结构模型，并对其进行优化；而后优化后的参照破乳剂分子的结构模型建立参照破乳剂分子的无定型晶胞C1，并进行优化得到稳定的无定型晶胞C2；将稳定的无定型晶胞C2放入油相分子-水分子的动力学模型并进行动力学模拟；基于密度泛函理论，分析油相分子和参照破乳剂分子的相互作用方式并计算相互作用能；
当油相分子和待测破乳剂分子间的相互作用能高于油相分子和参照破乳剂分子的相互作用时，该待测破乳剂分子的破乳效果比参照破乳剂分子的好。
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