CN110556168B - 一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法 - Google Patents

一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境材料领域，公开一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，具体步骤如下：1）选取需模拟分析的凝胶膜材料和水溶性单体；2）构建初始模型；3）对凝胶膜体系分子动力学模型进行优化；4）对优化后的模型进行分子动力学模拟；5）绘制MSD‑t曲线；6）计算获得该水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数。本发明在分子水平上分析水溶性单体分子在凝胶膜体系中扩散性能，能够定量得到水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数进而获知水凝胶对界面聚合反应的影响，为水凝胶制备高性能膜材料提供数据支撑。

Description

一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法
技术领域
本发明属于环境材料领域，具体涉及一种高性能膜材料制备中分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法。
背景技术
随着水资源短缺、水体污染日益严重等问题的出现，膜分离技术作为污水处理、海水淡化、苦咸水脱盐的经济、高效技术之一，具有广阔的市场应用前景。膜材料作为膜分离技术的核心，将直接影响膜分离性能以及膜技术的应用。高性能膜材料的制备，是工业界和学术界不断开发和研究的热点。目前商业化的反渗透膜、纳滤膜和耐有机溶剂纳滤复合膜通常由水相中的水溶性单体和油相中的多元酰氯单体在基膜表面发生界面聚合反应形成聚酰胺选择性分离层而制备所得。界面聚合过程中，单体浓度、反应时间以及基膜结构是影响最终制备的聚酰胺复合膜性能的关键因素。
近来，研究学者通过在反应溶液中添加高分子聚合物(如：Kevlar纤维)形成凝胶膜，取代了常规的超滤基膜，制备出超薄且性能优越的聚酰胺复合膜。虽然人们在新型膜材料的合成和膜材料的改性方面取得了巨大的进展，但是在高性能膜材料的制备过程中，对于界面聚合反应的微观结构性质和机理仍缺乏足够的研究和解释，使得制备过程中带有一定的盲目性。因此对于界面聚合反应制备高性能复合膜过程中的微观结构特征和机理的研究非常重要。
目前，广泛应用的实验表征方法表征及检测方法(如SEM,TEM,AFM等)难以满足原子分子水平上定量分析水溶性单体在凝胶膜体系以及界面聚合的表面微观特性和动态变化过程的要求，也难以解释分子原子水平的界面聚合机理。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法。本通过分子动力学模拟的方法计算出水溶性单体在凝胶膜体系中的扩散系数，可为探索凝胶体系对界面聚合反应以及膜分离性能的影响提供理论依据，为水凝胶制备高性能膜材料提供数据支撑。
本发明具体技术方案如下：
包括以下步骤：
1)选取需模拟分析的凝胶膜材料和水溶性单体；
2)构建初始模型
通过Materials Studio软件构建待模拟的凝胶膜体系的分子动力学模型，得到构型文件；
3)对凝胶膜体系分子动力学模型进行优化
采用能量最小化方法对步骤2)中建立的凝胶膜体系的分子动力学模型进行优化；
4)对优化后的模型进行分子动力学模拟
对优化后的模型依次进行NVT、NPT和NVT分子动力学模拟，得到水溶性单体分子在凝胶膜体系中的运动轨迹文件及均方位移MSD数据；
5)绘制MSD-t曲线
将模拟所得到的运动轨迹文件及MSD数据与时间对应绘制做图，得到MSD-t曲线；
6)计算获得该水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数
对MSD-t曲线进行线性拟合，求解拟合曲线的斜率，通过爱因斯坦扩散方程计算水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数。
进一步的，所述的步骤2)中，具体方法为：
2.1)通过Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块构建凝胶膜材料、水溶性单体分子以及水分子的初始三维分子动力学模型；
2.2)利用Materials Studio软件中的Clean工具对所构建的初始分子动力学模型进行符合化学结构的初步优化，在此基础上通过Discover模块再对模型进行能量最小化获得最稳定的分子构型；
2.3)利用Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块构建凝胶膜体系正方体盒子，并根据界面聚合反应所需的水溶性单体的浓度放置一定数量优化结构后的水溶性单体分子，构成凝胶膜体系晶格模型，设定系统参数：温度、几何构型数、初始密度和最终密度。
进一步的，所述的步骤3)中，具体方法为：利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Geometry Optimization功能对构建成功的凝胶膜体系晶格模型进行能量最小化以及NVT系综动力学模拟，优化体系的构型。
进一步的，所述的步骤4)中，具体方法为：利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Dynamics功能对能量最小化的体系模型依次进行100ps的NVT、100ps的NPT和100ps的NVT动力学模拟，平衡后获得水溶性单体分子的运动轨迹文件。
进一步的，所述的步骤5)中，具体方法为：将水溶性单体的均方位移MSD数据与时间作图获得MSD-t曲线，其中，MSD数据通过公式(1)获得：
Figure BDA0002199182510000021
式中，r(0)表示水溶性单体在0时刻的位置，r(0)表示水溶性单体在t时刻的位置。
进一步的，所述的步骤6)中，具体方法为：对MSD-t曲线进行线性拟合，根据公式(2)该拟合曲线的斜率k，根据下述(3)式中的爱因斯坦扩散方程式计算得扩散系数D：
Figure BDA0002199182510000031
Figure BDA0002199182510000032
进一步的，所述凝胶膜的材料为聚对苯二甲酰对苯二胺、壳聚糖、纤维素、海藻酸钠或聚乙烯醇中的一种。
进一步的，所述凝胶膜材料优选为聚对苯二甲酰对苯二胺。
进一步的，所述水溶性单体为哌嗪、2-甲基哌嗪、2,5-二甲基哌嗪、4-氨基甲基哌嗪、2,5-二乙基哌嗪、α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、δ-环糊精、对苯二胺、间苯二胺、均苯三胺、二氨基甲苯、乙二胺、丙二胺、苯二甲基二胺、1,3-二氨基环己烷或1,4-二氨基环己烷中的一种或多种，水溶性单体的浓度为0.01-8.0wt％。
进一步的，所述水溶性单体优选为哌嗪、间苯二胺或环糊精。
本发明的有益效果：本发明利用分子动力学模拟技术，在分子水平上定量分析水溶性单体在凝胶膜体系的表面微观特性和动态变化过程。通过分子动力学模拟预测水溶性单体在凝胶膜体系中的扩散性能，为探索凝胶体系对界面聚合反应以及膜分离性能的影响提供理论依据，为利用水凝胶制备高性能膜材料提供数据支撑。
附图说明
图1平衡状态下PIP分子在由PPTA与水溶液形成的凝胶膜体系中的分子动力学模拟示意图；
图2平衡状态下PIP分子在纯水溶液中的分子动力学模拟示意图；
图3PIP分子在纯水溶液中以及在由PPTA与水溶液形成的凝胶膜体系中的MSD-t曲线。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合具体时实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
具体实施方式一：
本实施方案利用Materials Studio软件在计算服务器上对水溶性单体在凝胶膜中扩散性质进行分子动力学模拟，主要包括以下步骤：
1)选取需模拟分析的凝胶膜材料和水溶性单体；
2)构建初始模型，具体为：
2.1)通过Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块构建凝胶膜材料、水溶性单体分子以及水分子的初始三维分子动力学模型；
2.2)利用Materials Studio软件中的Clean工具对所构建的初始分子动力学模型进行符合化学结构的初步优化，在此基础上通过Discover模块再对模型进行能量最小化获得最稳定的分子构型；具体设置为：最小化方法采用“Smart Minimizer”，综合运用最速下降法(SteepestDescent)、共轭梯度法(Conjugate Gradient)以及牛顿法(Newton)，收敛水平采用Customized，最大迭代数为5000。
2.3)利用Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块构建凝胶膜体系正方体盒子，并根据界面聚合反应所需的水溶性单体的浓度放置一定数量优化结构后的水溶性单体分子，构成凝胶膜体系晶格模型，周期性边界，设定系统参数：温度、几何构型数、初始密度和最终密度。
3)对凝胶膜体系分子动力学模型进行优化
利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Geometry Optimization功能对构建成功的凝胶膜晶格模型进行能量最小化以及NVT系综动力学模拟来优化体系的构型；具体设置为：选用COMPASS力场，静电作用选“Edwald”方法，模拟温度为298.15K，计算的时间步长为1fs,总共的模拟时间为1～2ns,保存轨迹选择全部的运动及坐标参数，并设定每5000步输出一个模拟结果，模拟过程中能量最大偏移为默认值5000kcal/mol，采用Andersen法保证系统温度恒定；其中，对初步优化结果进行分子动力学计算中长程相互作用力的截断距离为
Figure BDA0002199182510000044
4)对优化后的模型进行分子动力学模拟
利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Dynamics功能对能量最小化的体系模型依次进行100ps的NVT、100ps的NPT和100ps的NVT动力学模拟，平衡后获得水溶性单体分子的运动轨迹文件。
5)绘制MSD-t曲线
具体方法为：将水溶性单体的均方位移MSD数据与时间作图获得MSD-t曲线，MSD数据通过公式(1)获得：
Figure BDA0002199182510000041
式中，r(0)表示水溶性单体在0时刻的位置，r(0)表示水溶性单体在t时刻的位置。
6)计算获得该水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数
对MSD-t曲线进行线性拟合，通过公式(2)求解该拟合曲线的斜率k，根据下述(3)式中的爱因斯坦扩散方程式计算得扩散系数D：
Figure BDA0002199182510000042
Figure BDA0002199182510000043
具体实施方式二：
本实施方式以哌嗪(PIP)分子在聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)与水形成的凝胶膜体系中的扩散为例，其具体步骤如下：
1)选择哌嗪(PIP)分子在聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)；
2)构建界面聚合过程中PIP分子在PPTA形成的凝胶膜体系中的分子动力学模型，并且赋予其物理意义，得到构型文件；具体方法为：
2.1)通过Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块构建PPTA、PIP分子以及水分子的初始三维分子动力学模型；其中，PPTA选择2个重复单元的结构。
2.2)利用Materials Studio软件中的Clean工具对所构建的各个分子的初始模型进行符合化学结构的初步优化，在此基础上通过Discover模块再对各模型进行能量最小化以获得最稳定的分子构型；具体设置为：最小化方法采用“Smart Minimizer”，综合运用最速下降法(Steepest Descent)、共轭梯度法(Conjugate Gradient)以及牛顿法(Newton),，收敛水平采用Customized，最大迭代数为5000。
2.3)利用Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块构建PIP+PPTA凝胶膜体系正方体盒子，体积为
Figure BDA0002199182510000051
在体系中放置优化结构后的水分子、PPTA分子以及PIP分子的数量分别为：320、2和10。设定系统模型为周期性边界，温度为298.15K，几何构型数为10，初始密度0.6g/cm3，最终密度为1.0g/cm3。根据计算，此系统中PIP的浓度为1.5mol/L。
3)采用能量最小化方法对PIP+PPTA凝胶膜体系分子动力学模型进行优化，使其结构更加稳定；具体方法为：
利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Geometry Optimization功能对体系进行能量最小化以及NVT系综动力学模拟对体系构型优化；具体设置为：选用COMPASS力场，静电作用选“Edward”方法，模拟温度为298.15K，计算的时间步长为1fs,总共的模拟时间为1～2ns,保存轨迹选择全部的运动及坐标参数，并设定每5000步输出一个模拟结果，模拟过程中能量最大偏移为默认值5000kcal/mol，采用Andersen法保证系统温度恒定；其中，对初步优化结果进行分子动力学计算中长程相互作用力的截断距离为
Figure BDA0002199182510000052
4)采用分子动力学模拟计算并输出PIP分子在PPTA凝胶膜体系中的运动轨迹文件及均方位移MSD数据；具体方法为：
利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Dynamics功能对能量最小化的体系模型进行100ps的NVT+100ps的NPT动力学模拟来平衡体系。然后再进行100ps的NVT动力学模拟，使得系统最终达到平衡，保存最后的PIP分子在PPTA凝胶膜体系中的动态运动轨迹并提取其MSD数据。
5)将水溶性单体的均方位移MSD数据与时间作图获得MSD-t曲线。其中，通过公式：
Figure BDA0002199182510000061
获得MSD。式中r(0)表示PIP在0时刻的位置，r(t)表示PIP在t时刻的位置。
6)对MSD-t曲线进行线性拟合，通过公式
Figure BDA0002199182510000062
求解该拟合曲线的斜率k，再根据爱因斯坦扩散方程式
Figure BDA0002199182510000063
计算得扩散系数D。
根据上述方法对PIP+PPTA凝胶膜体系进行分子动力学模拟，平衡状态下PIP分子在由PPTA与水溶液形成的凝胶膜体系中的模拟图如图1所示。
同时，为进行比较，对PIP分子在纯水溶液体系中的扩散进行了分子动力学模拟，平衡状态下PIP分子在纯水溶液中的示意图如图2所示。
根据不同体系的模拟，得到PIP在这两个体系中的MSD随时间变化的曲线，如图3所示。通过计算，PIP在纯水溶液中以及在凝胶膜体系中的扩散系数分别为0.61×10-9m2/s和0.45×10-9m2/s。由计算结果分析可知，PIP分子在PPTA与水形成的凝胶膜系统中的扩散速率低于纯水体系中的扩散速率，扩散系数越小，说明系统越趋于稳定，不易于扩散。从界面聚合反应制备高性能复合膜角度来说，水相中添加的高分子聚合物(如PPTA)能与水形成水凝胶膜，能有效阻碍PIP单体分子向聚合界面扩散，故生成的聚合物膜相比纯水体系的更薄，通量更大。因此，可利用凝胶膜对水溶性单体扩散的阻碍作用制备高性能的复合薄膜。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选取需模拟分析的凝胶膜材料和水溶性单体；
2)构建初始模型
通过Materials Studio软件构建待模拟的凝胶膜体系的分子动力学模型，得到构型文件；
所述的步骤2)中，具体方法为：
2.1)通过Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块构建凝胶材料、水溶性单体分子以及水分子的初始三维分子动力学模型；
2.2)利用Materials Studio软件中的Clean工具对所构建的初始分子动力学模型进行符合化学结构的初步优化，在此基础上通过Discover模块再对各模型进行能量最小化以获得最稳定的分子构型；
2.3)利用Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块构建凝胶膜体系正方体盒子，并根据界面聚合反应所需的水溶性单体的浓度放置一定数量优化结构后的水溶性单体分子，构成凝胶膜体系晶格模型，设定系统参数：温度、几何构型数、初始密度、最终密度；
3)对凝胶膜体系分子动力学模型进行优化
采用能量最小化方法以及NVT系综动力学模拟对步骤2)中建立的凝胶膜晶格体系分子动力学模型进行优化；
4)对优化后的模型进行分子动力学模拟
利用Materials Studio软件中的Forcite模块的Dynamics功能对能量最小化的体系模型依次进行100ps的NVT、100ps的NPT和100ps的NVT动力学模拟，平衡后获得水溶性单体分子的运动轨迹文件；
5)绘制MSD-t曲线
将模拟所得到的水溶性单体的均方位移MSD数据与时间对应绘制作图，得到MSD-t曲线；其中，MSD数据通过公式(1)获得：
Figure FDA0003534642080000011
式中，r(0)表示水溶性单体在0时刻的位置，r(t)表示水溶性单体在t时刻的位置；
6)计算获得水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数
对MSD-t曲线进行线性拟合，按照公式(2)求解该拟合曲线的斜率k，再根据公式(3)中的爱因斯坦扩散方程计算水溶性单体分子在凝胶膜体系中的扩散系数D：
Figure FDA0003534642080000021
Figure FDA0003534642080000022
。
2.根据权利要求1所述的一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，其特征在于：所述凝胶膜材料为聚对苯二甲酸对苯二胺、壳聚糖、纤维素、海藻酸钠或聚乙烯醇中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，其特征在于：所述凝胶膜材料优选为聚对苯二甲酸对苯二胺。
4.根据权利要求1所述的一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，其特征在于：所述水溶性单体为哌嗪、2-甲基哌嗪、2,5-二甲基哌嗪、4-氨基甲基哌嗪、2,5-二乙基哌嗪、α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精、δ-环糊精、对苯二胺、间苯二胺、均苯三胺、二氨基甲苯、乙二胺、丙二胺、苯二甲基二胺、1,3-二氨基环己烷或1,4-二氨基环己烷中的一种或多种，水溶性单体的浓度为0.01-8.0wt％。
5.根据权利要求1所述的一种分析水溶性单体在凝胶膜中扩散性质的模拟方法，其特征在于：所述水溶性单体优选为哌嗪、间苯二胺或环糊精。
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