CN109271679B - 一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法。本发明利用计算机模拟软件建模，建立甲烷水合物晶胞，在高温下熔化水合物晶胞得到气液混合相，然后将甲烷水合物晶胞和气液混合相叠加获得初始构型；设置模拟参数，通过能量最小化、预平衡模拟得到稳定构型，施加不同强度、频率的电场进行分子模拟；经分子动力学计算后获得分子轨迹坐标信息，并对分子轨迹坐标进行图像分析和计算分析。上述方法从分子角度上实时观测研究施加不同强度、频率的外加电场对甲烷水合物生成分解的影响，为在实际中电场应用于水合物各领域提供理论上的指导；新技术利用外加电场控制水合物生成分解能够减少会给环境造成污染的水合物化学促进剂和抑制剂的使用。
Description
技术领域
本发明属于气体水合物生成分解领域，具体涉及一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法。
背景技术
气体水合物是一种类冰状晶体，是一种小客体分子(CH4、CO2、N2等)占据由水分子间以氢键构成的笼穴而形成的特殊包络化合物。水合物广泛应用在温室气体捕获、混合气体分离、储气等领域。此外，天然气水合物(主要是甲烷水合物)由于其分布广、能量密度高以及绿色清洁等诸多的优点，已被公认为极具潜力的新能源，是能源资源领域的研究热点之一。为了在不同应用领域中更好地发挥水合物不同优势，涉及关于水合物生成分解方面的基本特性研究就显得更为重要。
目前宏观实验上，一般地添加表面活性剂如十二烷基硫酸钠促进甲烷水合物生成,热力学抑制剂(如甲醇)、动力学抑制剂(如PVCap)用来抑制水合物的生成，但是这些化学添加剂的使用会给环境带来不可逆的污染；对于水合物开采一般采用降压或注热的方法，但是降压注热操作成本昂贵，开采效率低。针对以上问题，并为了响应保护环境和可持续发展理念，在控制水合物生成分解方面，引入无化学添加剂技术将成为一种趋势，如电场。水分子本身就是一种极性分子，外加电场的存在一定程度上能够影响水分子运动行为。目前宏观实验上关于电场对水合物生成分解影响方面鲜有报道，对于电场是否影响水合物生成分解的问题也没有统一的解释。为了进一步探究电场对水合物生成分解的影响，本发明提出从分子层面上观测分析外加电场存在下水合物生成分解的行为，节约实验成本。分子动力学模拟利用牛顿运动定律，从微观角度研究物质作用过程，其优点是可以实时输出分子的动力学信息，计算分子量较大的体系，广泛应用于各种水合物的模拟计算中。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，所述方法从微观角度上实时观测外加电场存在下体系分子运动轨迹，探究不同强度、不同频率的电场对甲烷水合物生成分解的影响，为实际中外加电场应用于水合物生成分解领域提供理论上的指导。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)采用Materials Studio建立甲烷水合物晶胞，将得到的甲烷水合物结构的坐标信息转换为分子模拟软件所需的输入坐标文件；
(2)采用GROMACS软件，带入步骤(1)得到的坐标文件，并对甲烷水合物的晶胞进行2×2×2扩胞；
(3)采用GROMACS软件，设置模拟参数，在NPT系综下将一2×2×2甲烷水合物晶胞熔化成气液混合相，将甲烷水合物晶胞结构与气液混合相模型按照气液相-水合物相-气液相的顺序进行叠加，得到观测甲烷水合物生成分解的初始构型；
(4)采用GROMACS软件，带入步骤(3)得到的初始构型信息，设置模拟参数，依次能量最小化、位置限制性预平衡模拟后得到稳定构型；
(5)采用GROMACS软件，带入步骤(4)得到的稳定构型信息，沿着体系Z轴施加外加电场，设置模拟参数，进行分子动力学计算，得到分子轨迹坐标信息；
(6)对步骤(5)得到的分子轨迹坐标信息进行构象分析和计算分析，得到外加电场下甲烷水合物生成分解的动态构象和电场影响结果。
优选地，步骤(2)所述的2×2×2甲烷晶胞的尺寸为2.376×2.376×2.376nm；步骤(3)所述的单个气液混合相的尺寸为2.376×2.376×2.376nm；所述的叠加后的初始构型模型由气液-水合物-气液三部分组成的，初始构型尺寸大小为2.376×2.376×7.128nm。
步骤(3、4和5)所述的模拟参数包括力场参数、分子间相互作用参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数和模拟时长,其中，所述长程作用力参数采用Particle-meshEwald(PME)方法计算；
优选地，所述力场参数包括甲烷分子、水分子的力场；所述甲烷力场采用OPLS-UA模型；所述水分子力场采用TIP4P/Ice模型。
优选地，所述分子的相互作用参数包括相同分子间相互作用和不同分子间相互作用，相同分子间相互作用均属于L-J参数，所述不同分子间的相互作用均采用Lorentz-Berthelot混合规则。
优选地，步骤(3)所述温度参数采用Nose-Hoover耦合，温度设置为425K，时间常数为2ps；压强参数采用Parrinello-Rahman耦合，压力设置为10MPa，时间常数为2ps。所述长程作用力采用PME方法计算，选用Lincs方法限制所有分子的键长键角，模拟盒子的三个方向都采用周期边界条件。模拟时长为3.5ns，时间步长为2fs。
步骤(4)所述的能量最小化方法采用GROMACS软件中的steepest descentminimization算法，所述的位置限制性预平衡模拟方法采用蛙跳(leap-frog)算法，包括NVT系综和NPT系综。
优选地，步骤(4)所述温度参数采用Nose-Hoover耦合，温度设置为260K，时间常数为2ps；压强参数采用Parrinello-Rahman耦合，压力设置为10MPa，时间常数为2ps。所述长程作用力采用PME方法计算，选用Lincs方法限制所有分子的键长键角，模拟盒子的三个方向都采用周期边界条件。模拟时长为1ns，时间步长为2fs。
上述的模拟参数都需预先设置在相应的nvt.mdp及npt.mdp文件中。
步骤(5)采用NPT系综，所述的模拟参数中力场参数、压强参数、长程作用力参数与步骤(3和4)中的模拟参数相同；模拟时长为300ns或200ns，时间步长为2fs。
优选地，步骤(5)中施加电场强度范围为0-2.0v/nm，如0v/nm、1.0v/nm、1.5v/nm和2.0v/nm；余弦电场频率范围为0-1000GHz，如0、300GHz和1000GHz。
上述的模拟参数以及电场的施加都需预先设置在相应的md.mdp文件中。
步骤(5)得到的分子轨迹坐标信息输出在trr文件中,为了便于体系中分子运动的可视化观察，利用GROMACS自带gmx_trjconv命令对体系的周期性边界条件进行设置。另外，能量输出信息输出在edr文件中，可用自带gmx energy命令调出查看；最终构象信息输出在gro文件中。
步骤(6)所述图像分析采用VMD软件进行，采用预平衡后的npt.gro文件，同时加载md.trr文件，对分子轨迹进行可视化处理，进而得到外加电场下甲烷水合物生成分解轨迹的实时动态构象。
步骤(6)所述的计算分析包括水分子的F4序参数以及溶解在水中的甲烷摩尔分数。体系的结晶程度可以通过能够形成氢键的两水分子间H---O...O---H扭转角来确定，一般对于水合物、液态水、冰，水分子F4序参数分别为0.7、-0.04和-0.4。溶解在水中的甲烷分子数量统计采用GROMACS自带gmx_select命令获得，水分子的F4序参数采用下列公式计算：
F4＝<cos3Φ>
其中，Φ指距离小于为0.35nm的两邻近水分子的H---O....O---H扭转角；
溶解在水中的甲烷摩尔分数采用下列计算公式：
其中Ngas in water指溶解于水中的甲烷分子数目，若某甲烷分子0.55nm半径内水分子数目不低于15个且此甲烷分子0.45nm半径内其他甲烷分子数目不超过2个，则该甲烷分子被认为溶解于水中。
与现有的技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解的影响的方法，从分子层面上直观分析外加电场下甲烷水合物生成分解过程，节约实验成本；并为实际中外加电场应用于水合物生成分解领域提供理论指导；应用外加电场新技术控制水合物生成分解，能够减少大量的水合物促进剂和抑制剂的使用，降低环境污染。
附图说明
图1是2×2×2甲烷水合物晶胞结构图。
图2是所述方法中电场存在下甲烷水合物生成分解体系的初始构像图。
图3是实施例1、2和3体系中水分子F4序参数随模拟时间变化图。
图4是实施例1、4、5和6体系中水分子F4序参数随模拟时间变化图。
图5是实施例1、7和8体系中水分子F4序参数随模拟时间变化图。
图6是实施例1-8体系中溶解在水中的甲烷摩尔分数随模拟时间变化图。
具体实施方式
为更好的说明本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的内容作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种模拟无外加电场下甲烷水合物生成分解过程的方法，所述方法包括一下步骤：
(1)采用Materials Studio软件建立甲烷水合物的晶胞，如图1所示；将得到的甲烷水合物结构的坐标信息转换为分子模拟软件所需的输入坐标文件。
(2)采用GROMACS软件，带入步骤(1)得到的坐标文件，对甲烷水合物的晶胞进行2×2×2扩胞，尺寸为2.376×2.376×2.376nm。
(3)采用GROMACS软件，设置模拟参数，在NPT系综下将一2×2×2甲烷水合物晶胞熔化成气液混合相，模拟参数包括力场参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数和模拟时长，预先设置在mdp文件中。其中：甲烷分子力场采用OPLS-UA模型；水分子力场采用TIP4P/Ice模型；相同分子的相互作用参数均属于L-J参数，不同分子间的相互作用采用Lorentz-Berthelot混合规则。采用Nose-Hoover耦合控制温度参数，设置为450K，时间常数为2ps；压强采用Parrinello-Rahman耦合控制，设置为10MPa，时间常数为2ps。长程作用力采用PME方法计算，选用Lincs方法限制所有分子的键长键角，模拟盒子的三个方向都采用周期边界条件。模拟时长为3.5ns,时间步长为2fs。将甲烷水合物晶胞结构与气液混合相模型按照气液相-水合物相-气液相的顺序进行叠加，得到观测甲烷水合物形成分解的2.376×2.376×7.128nm初始构型。
(4)采用GROMACS软件，带入步骤(3)得到的初始构型信息，采用steepest descentminimization算法能量最小化后，依此进行蛙跳算法(leap-frog)的NVT和NPT位置限制性预平衡模拟，得到稳定构型信息。模拟参数包括力场参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数，时间步长和模拟时长，需预先设置在相应的nvt.mdp及npt.mdp文件中。其中：甲烷分子力场采用OPLS-UA模型；水分子力场采用TIP4P/Ice模型；相同分子的相互作用参数均属于L-J参数，不同分子间的相互作用采用Lorentz-Berthelot混合规则；采用Nose-Hoover耦合控制温度参数，设置为260K，时间常数为2ps；压强参数采用Parrinello-Rahman耦合，设置为10MPa，时间常数为2ps。长程作用力采用PME方法计算，选用Lincs方法限制所有分子的键长键角，模拟盒子的三个方向都采用周期边界条件。模拟时长为1ns，时间步长为2fs。
(5)采用GROMACS软件，带入步骤(4)得到的构型信息，预先在md.mdp文件中设置模拟参数，其中力场参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数与步骤(4)中设置相同，不施加外加电场，模拟时长为300ns，时间步长为2fs。模拟计算得到的分子轨迹坐标信息存储在trr文件中,为了便于体系分子运动的可视化观察，可以利用gmx_trjconv命令对体系的周期性边界条件进行设置。另外，能量输出信息存储在edr文件中，最终构象信息输出在gro文件中。
(6)对步骤(5)得到的分子轨迹坐标信息和动力学信息进行构象分析和计算分析：图像分析采用VMD软件,打开npt.gro文件，同时加载md.trr文件，对分子轨迹做可视化处理，进而得到甲烷水合物生成分解的实时动态构象。计算分析包括水分子的F4序参数以及溶解在水中的甲烷摩尔分数。溶解在水中的甲烷分子数量统计采用GROMACS自带的gmx_select命令，水分子的F4序参数采用下列公式计算：
F4＝<cos3Φ>
其中，Φ指距离小于为0.35nm的两邻近水分子的H---O....O---H扭转角；
甲烷分子在水中溶解度采用下列计算公式：
其中Ngas in water指溶解于水中的甲烷分子数目，若某甲烷分子0.55nm半径内水分子数目不低于15个且此甲烷分子0.45nm半径内其他甲烷分子数目不超过2个，则该甲烷分子被认为溶解在水中。
实施例2
一种模拟1.0v/nm恒定电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加1.0v/nm恒定电场，模拟时间为300ns外均与实施例1相同。
实施例3
一种模拟2.0v/nm恒定电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加2.0v/nm恒定电场模拟时间为300ns,外均与实施例1相同。
实施案例4
一种模拟1.0v/nm 300GHz余弦电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加1.0v/nm 300GHz余弦电场,模拟时间为300ns外均与实施例1相同。
实施案例5
一种模拟1.5v/nm 300GHz余弦电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加1.5v/nm 300GHz余弦电场,模拟时间为300ns外均与实施例1相同。
实施案例6
一种模拟2.0v/nm 300GHz余弦电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加2.0v/nm 300GHz余弦电场，模拟时长为200ns外均与实施例1相同。
实施案例7
一种模拟1.0v/nm 1000GHz余弦电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加1.0v/nm 1000GHz余弦电场,模拟时间为300ns外均与实施例1相同。
实施案例8
一种模拟2.0v/nm 1000GHz余弦电场下甲烷水合物生成分解的方法，所述方法除了步骤(5)中施加2.0v/nm 1000GHz余弦电场,模拟时长为200ns外均与实施例1相同。
图3-图5是以上8个实施案例体系中水分子F4序参数随着模拟时间的变化。从图3-图5可以看处，对于施加电场强度为恒定1.0v/nm、1.0v/nm 300GHz、1.5v/nm 300GHz、1.0v/nm 1000GHz、以及2.0v/nm1000GHz体系(即案例2、4、5、7、和8)，水分子F4序参数逐渐升高至0.7左右，意味着在这些电场存在下，体系的气液混合相中有甲烷水合物的生成；而对于施加电场强度为恒定2.0v/nm、2.0v/nm300GHz体系(即案例3、6)，水分子F4序参数没增反而下降，意味着体系中甲烷水合物晶胞分解；图6呈现了8个实施案例体系中溶解在水中的甲烷摩尔分数的变化，各案例中甲烷溶解度变化与体系水分子F4序参数的变化趋势一致：体系中有甲烷水合物生成意味着水分子F4序参数增大，更多的甲烷分子溶解在水中，溶解在水中的甲烷摩尔分数变大；反之甲烷水合物分解则水分子F4序参数减小，甲烷分子逃逸出水中，溶解在水中的甲烷摩尔分数变小。从图六(a)和(b)可以看出，相比于无电场存在下(案例1)，案例5、7和8(分别在1.5v/nm 300GHz、1.0v/nm 1000GHz和2.0v/nm 1000GHz外加电场下)中甲烷分子能够更快地溶解于水中，甲烷溶解速度更快，这意味着在此3个电场存在下甲烷水合物生成速率快；而从图六(a)观察到案例3、6(分别在恒定2.0v/nm、2.0v/nm300GHz外加电场下)中体系甲烷在水中的溶解度急剧减少，意味着甲烷水合物晶胞分解。通过实施案例2-8与案例1比较清楚看出，电场对甲烷水合物生成和分解都是有影响，而且电场强度和频率决定了电场在水合物生成分解过程的角色。
本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形成的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和该井等，均应包含在本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用Materials Studio建立甲烷水合物晶胞，将得到的甲烷水合物结构的坐标信息转换为分子模拟软件所需的输入坐标文件；
(2)采用GROMACS软件，带入步骤(1)得到的坐标文件，并对甲烷水合物的晶胞进行2×2×2扩胞；
(3)采用GROMACS软件，设置模拟参数，在NPT系综下将一2×2×2甲烷水合物晶胞熔化成气液混合相，然后将甲烷水合物晶胞结构与气液混合相按照气液相-水合物相-气液相的顺序进行叠加，得到观测甲烷水合物生成分解的初始构型；
(4)采用GROMACS软件，带入步骤(3)得到的初始构型信息，设置模拟参数，依次能量最小化、位置限制性预平衡模拟后得到稳定构型；
(5)采用GROMACS软件，带入步骤(4)得到的稳定构型信息，沿着体系Z轴方向施加外加电场，设置模拟参数，进行分子动力学计算，得到分子轨迹坐标信息；
(6)对步骤(5)得到的分子轨迹坐标信息进行构象分析和计算分析，得到外加电场下甲烷水合物生成分解的动态构象和电场影响结果；
步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中，所述的模拟参数包括力场参数、分子间相互作用参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数和模拟时长；其中，所述长程作用力参数采用Particle-mesh Ewald方法计算；
步骤(3)中，温压参数选择425K和10MPa，模拟时长为3.5ns；
步骤(4)中，温压参数选择260K和10MPa，模拟时长为1ns；
步骤(5)中，施加电场强度范围为0-2.0v/nm；余弦电场频率范围为0-1000GHz，模拟时长为200ns或300ns；
步骤(6)中，所述的计算分析包括水分子的F4序参数以及溶解在水中的甲烷摩尔分数，体系的结晶程度通过能够形成氢键的两水分子H---O...O---H扭转角来确定，水合物、液态水、冰的水分子F4序参数分别为0.7、-0.04和-0.4；
水分子的F4序参数采用下列公式计算：
F4＝<cos3Φ>
其中，Φ指距离小于0.35nm的两邻近水分子的H---O....O---H扭转角；
溶解在水中的甲烷摩尔分数采用下列计算公式：
其中Ngas in water指溶解于水中的甲烷分子数目，为模拟体系中全部水分子数，若某甲烷分子0.55nm半径内水分子数目不低于15个且此甲烷分子0.45nm半径内其他甲烷分子的数目不超过2个，则该甲烷分子被认为溶解在水中。
2.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述能量最小化方法采用GROMACS软件中的steepest descent minimization算法，所述的位置限制性预平衡模拟包括NVT系综及NPT系综，采用蛙跳(leap-frog)算法。
3.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，所述力场参数包括甲烷分子和水分子的力场；其中甲烷力场采用OPLS-UA模型，即单点Lennard-Jones势函数，其中水分子力场采用TIP4P/Ice模型。
4.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，所述分子的相互作用参数包括相同分子间相互作用和不同分子间相互作用，相同分子间相互作用均属于L-J参数，所述不同分子间的相互作用均采用Lorentz-Berthelot混合规则。
5.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，采用Nose-Hoover耦合方法控制温度参数，采用Parrinello-Rahman耦合控制压强参数。
6.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述构象分析采用VMD软件进行,得到利用电场下甲烷水合物生成或分解的实时动态构象。
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| PB01 | Publication | ||
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