CN110569604A - 一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高性能反渗透膜材料领域，具体地说，涉及一种利用计算机模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法。包括以下步骤：（1）选择合适的粗粒化尺度，构建有机物分子的DPD模型；（2）利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数；（3）通过Materials Studio软件构建有机物溶液‑反渗透膜表面构成的固‑液界面的几何模型；（4）在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟；（5）系统达到稳定平衡状态后，获取膜污染动态过程及其机理。本发明利用计算机模拟技术提出了一种从分子原子水平上研究有机物引起的反渗透膜污染的动态过程及其微观结构的方法，对研究膜污染机理及膜领域的推广应用具有重要的指导意义。

Description

一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法
技术领域
本发明属于高性能反渗透膜材料领域，具体地说，涉及一种利用计算机模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法。
背景技术
反渗透膜技术在工业废水处理、海水淡化及苦咸水脱盐等领域具有重要作用。在处理工业废水及生活污水过程中，水体中的有机物极易导致膜污染，极大地降低了反渗透膜的性能。
由于实验方法所限，传统的实验表征方法(如SEM,TEM,AFM等)较难观察到纳米级别的膜污染结构，对表面活性剂溶液与反渗透膜之间相互作用的动态过程也无法表征。而计算机模拟的方法可以弥补上述不足，不仅如此，通过计算机模拟技术还能得到有机物与膜相互作用的具体动态过程(每个粒子的动态运动轨迹)以及该过程中的许多重要的动力学参数。
近年来，基于介观尺度的耗散粒子动力学(Dissipative particle dynamics，DPD)模拟方法迅速发展，模拟的体系相比分子动力学模拟方法在时间和空间尺度上得到了极大的拓展，模拟的对象包括蛋白质、DNA、表面活性剂、聚合物等有机物，应用范围涉及工业和生命科学的众多领域。作为联系宏、微观模拟的纽带，DPD模拟方法在研究软物质流动及形态结构的工作中起了很大作用，该方法可以用来研究两亲分子(如表面活性剂)在溶液中自发形成聚集体的条件和动力学过程，由此推测其可以应用于污染物的相互作用及膜污染的形成过程研究中。但是，利用DPD模拟技术研究膜污染的方法，目前国内外未见报道。开发反渗透膜处理废水过程中的计算机模拟技术，从而实现对不同废水对反渗透膜污染的分析及预测，从而有效控制膜污染，是今后研究膜污染问题的重点方向之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用Materials Studio软件和DPD模拟方法在服务器上模拟小分子有机物在反渗透膜表面相互作用的方法，从介观尺度研究膜污染的结构与特点，为拓展对反渗透膜污染机理的认识、促进膜分离技术在水环境领域的广泛应用奠定理论基础。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，包括以下步骤：
步骤一、选择合适的粗粒化尺度，构建有机物分子的DPD模型；
步骤二、利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数；
步骤三、通过Materials Studio软件构建有机物溶液-反渗透膜表面构成的固-液界面的几何模型，并赋予其物理意义；
步骤四、在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；
步骤五、系统达到稳定平衡状态后，观察有机物溶液-反渗透膜表面构成的界面系统中有机物在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析膜污染动态过程及其机理。
进一步的，所述反渗透膜为致密的聚酰胺反渗透膜。
进一步的，所述有机物为水体污染中常见的小分子有机物。
进一步的，所述小分子有机物为：十二烷基硫酸钠SDS、萃取剂P507或小分子氨基酸。
进一步的，所述合适的粗粒化尺度指一个DPD珠子中包含的水分子个数与有机物分子碳原子个数保持一致，以保证所有的DPD珠子在质量上尽可能接近。
进一步的，所述步骤二具体步骤如下：采用分子动力学模拟或者通过可信的科学文献获得有机物溶液-反渗透膜表面构成的固-液体系中各DPD珠子之间的Flory-Huggins参数，进而根据DPD理论计算各粗粒化珠子之间的相互作用力参数。
进一步的，所述步骤三的具体步骤如下：
(1)通过Materials Studio软件中的DPD模块构建合适大小的正方体盒子，将盒子沿着z方向上的底部和顶部平面定义为对DPD珠子具有排斥力的不可透过的墙面，将这两个平面定义为反渗透膜表面；
(2)将步骤一中构建好的有机物DPD模型和水分子DPD模型置于盒子中，根据实际所需溶液的浓度计算系统中需要放置的水分子和有机物分子的数量。
进一步的，所述步骤四的具体步骤如下：在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；所述模拟系统的具体信息包括：DPD珠子种类、有机物分子和水分子的DPD组成、各DPD珠子之间的相互作用参数、DPD模拟的时间和步长、对结果文件的保存与输出详细信息。
进一步的，所述步骤五的具体步骤如下：DPD模拟系统达到稳定平衡状态后，获取膜污染动态过程及其机理观察有机物溶液-反渗透膜表面构成的界面系统中有机物在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析获取膜污染动态过程及其机理。
本发明针对水体污染中常见的小分子有机物与反渗透过程结合，将耗散粒子动力学模拟与实验研究、理论模型相结合，研究有机物分子与反渗透表面的相互作用动态过程，从本质上考察了有机物致膜污染的机理，为拓展对反渗透膜污染机理的认识、促进膜分离技术在水环境领域的广泛应用奠定理论基础。
利用本发明所述的方法对有机物导致的膜污染进行分析与预测，与传统的实验方法相比具有明显的优越性：(1)测定范围广泛，有机物的种类涵盖了所有在反渗透过程中有可能导致膜污染的物质，包括氨基酸、表面活性剂、小分子蛋白质(如牛血清蛋白)等；(2)有机物的粗粒化方法简单，其物理化学性质能从文献以及各类物质手册中得到；(3)设备要求低，利用率高，只需普通PC机上安装模拟软件便能完成模拟工作，不需要购买大型的表征分析测试仪器(如扫描电镜、原子力显微镜等)，且在没有干扰的情况下，CPU的利用率高达95％；(4)利用计算机模拟技术对膜污染的分析与预测能为膜材料的制备提供理论依据和指导，在膜分离领域具有广泛应用前景。
附图说明
图1实施2中SDS分子的粗粒化结构示意图；
图2实施例2中，DPD模拟体系中的反渗透膜表面示意图；
图3实施例2中，t＝0时刻以及t＝20000步时刻(平衡状态下)SDS分子在溶液-膜表面体系中的分布与结构形貌快照图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
本实施方式利用Materials Studio软件和DPD模拟方法在计算服务器上模拟有机物在反渗透膜表面的相互作用，主要包括以下几个方面：
一、选择合适的粗粒化尺度，构建有机物分子的DPD模型；
二、利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数；
三、通过Materials Studio软件构建有机物溶液-反渗透膜表面构成的固-液界面的几何模型，并赋予其物理意义；
四、在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；
五、系统达到稳定平衡状态后，观察有机物溶液-反渗透膜表面构成的界面系统中有机物在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析膜污染动态过程及其机理。
具体步骤如下：
(1)选择合适的粗粒化尺度，通过Materials Studio软件中的MaterialsVisualizer模块构建有机物分子的DPD模型，在对水分子和有机物分子粗粒化过程中，一个DPD珠子中包含的水分子个数与有机物分子碳原子个数保持一致，以保证所有的DPD珠子在质量上尽可能接近；
(2)利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数，具体步骤为：采用分子动力学模拟或者通过参考文献获得珠子的Flory-Huggins参数，进而根据DPD理论计算各粗粒化珠子之间的相互作用(保守力)参数，Flory-Huggins参数与DPD保守力参数之间的关系如公式(1)和(2)所述：
其中，aii表示相同的DPD珠子之间的相互作用力参数，用公式(1)表示；
aij表示不同的DPD珠子之间的相互作用力参数，用公式(2)表示。
式中，Nm表示DPD模拟中的粗粒化水平，即：一个DPD珠子中含有的水分子数；
kBT表示DPD模拟中的能量单位；
ρ表示DPD模拟体系的密度，本实施例中，ρ＝3；
χij表示不同DPD珠子之间的Flory-Huggins参数，可通过分子动力学模拟或从可信的科学文献中获得。
(3)通过Materials Studio软件中的DPD模块构建合适大小的正方体盒子，将盒子沿着z方向上的底部和顶部平面定义为对其他DPD珠子具有排斥力的不可透过的墙面，将这两个平面设置为致密的聚酰胺反渗透膜表面；
(4)根据实际所需溶液的浓度计算系统中需要放置的水分子和有机物分子的数量，在构建好的有机物DPD模型和水分子DPD模型置于盒子中；
(5)在DPD模块中输入有机物溶液-反渗透膜表面的固-液界面模拟系统中DPD珠子种类、有机物分子和水分子的DPD组成、各DPD珠子之间的相互作用参数、DPD模拟的时间和步长、对结果文件的保存与输出等详细信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；
(6)系统达到稳定平衡状态后，观察有机物溶液-反渗透膜表面构成的界面系统中有机物在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析膜污染动态过程及其机理。
实施例2
本实施方式以表面活性剂分子十二烷基硫酸钠(SDS)在致密的聚酰胺反渗透膜表面相互作用为例，其具体步骤如下：
(1)通过Materials Studio软件中的Materials Visualizer模块构建有机物分子的DPD模型，在对水分子和有机物分子粗粒化过程中，定义粗粒化尺度为一个DPD珠子中包含三个水分子，即水分子的DPD珠子模型W表示将三个水分子粗粒化为一个DPD珠子；根据十二烷基硫酸钠的结构，SDS分子由1个亲水性珠子H(-OSO3Na)以及4个疏水性珠子T(端部CH3-CH2-CH2-或中部-CH2-CH2-CH2-)组成，即SDS的DPD粗粒化模型表示为H1T4，其DPD粗粒化结构模型如图1所示；
(2)利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数，具体步骤为：采用分子动力学模拟或者通过参考文献获得珠子的Flory-Huggins参数，进而根据DPD理论计算各粗粒化珠子之间的相互作用力参数，Flory-Huggins参数与DPD保守力参数之间的关系如实施例1中公式(1)和(2)：
相互作用力参数可通过分子动力学模拟或从可信的科学文献中获得，如表1所示：
表1 SDS-反渗透膜表面构成的固-液体系中DPD珠子之间的相互作用参数
a<sub>ij</sub>/a<sub>ii</sub> H T W
H 86.7
T 104 78
W 65 98 78
M 104 65 78
其中，aHT表示表面活性剂的亲水基与疏水基珠子之间的保守力；aWH表示水珠子与表面活性剂的亲水基珠子之间的保守力；aWT表示水珠子与表面活性剂的疏水基珠子之间的保守力。M为代表反渗透膜的DPD珠子。
(3)通过Materials Studio软件中的DPD模块构建30×30×30的正方体盒子，将盒子沿着z方向上的底部和顶部平面定义为对其他DPD珠子具有排斥力的不可透过的墙面，将这两个平面设置为致密的聚酰胺(PA)反渗透膜表面(如图2所示)，用DPD珠子M表示，其与SDS的不同DPD珠子、水分子之间的相互作用参数如表1所示；
(4)在构建好的有机物DPD模型和水分子DPD模型置于盒子中，使得体系所对应的真实溶液中SDS的浓度为0.1mol L-1；
(5)在DPD模块中输入SDS溶液-PA膜表面的固-液界面模拟系统中DPD珠子种类、SDS分子和水分子的DPD组成、各DPD珠子之间的相互作用参数、DPD模拟的时间和步长、对结果文件的保存与输出等详细信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；
(6)系统达到稳定平衡状态后，观察SDS溶液-PA膜表面构成的界面系统中SDS在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析膜污染动态过程及其机理。
(7)可作出模拟初始时刻(t＝0)以及达到平衡状态(t＝20000步)之后SDS分子在溶液-膜表面体系中的分布与结构形貌快照图，如图3所示。通过以上分析，可知表面活性剂类有机物SDS在溶液-反渗透膜表面所构成的固-液界面体系中，大部分SDS分子吸附在反渗透膜表面导致了膜污染，SDS分子与膜表面相互作用的关键部分是SDS分子中能与膜表面基团M能产生强烈吸附作用的T基团。
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 (9)

1.一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤一、选择合适的粗粒化尺度，构建有机物分子的DPD模型；
步骤二、利用DPD理论计算各DPD珠子之间的相互作用参数；
步骤三、通过Materials Studio软件构建有机物溶液-反渗透膜表面构成的固-液界面的几何模型；
步骤四、在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟；
步骤五、系统达到稳定平衡状态后，获取膜污染动态过程及其机理。
2.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述反渗透膜为致密的聚酰胺反渗透膜。
3.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述有机物为水体污染中常见的小分子有机物。
4.根据权利要求3所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述小分子有机物为：十二烷基硫酸钠SDS、萃取剂P507或小分子氨基酸。
5.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述合适的粗粒化尺度指一个DPD珠子中包含的水分子个数与有机物分子碳原子个数保持一致，以保证所有的DPD珠子在质量上尽可能接近。
6.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述步骤二具体步骤如下：采用分子动力学模拟或者通过可信的科学文献获得有机物溶液-反渗透膜表面构成的固-液体系中各DPD珠子之间的Flory-Huggins参数，进而根据DPD理论计算各粗粒化珠子之间的相互作用力参数。
7.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤如下：
(1)通过Materials Studio软件中的DPD模块构建合适大小的正方体盒子，将盒子沿着z方向上的底部和顶部平面定义为对DPD珠子具有排斥力的不可透过的墙面，将这两个平面定义为反渗透膜表面；
(2)将步骤一中构建好的有机物DPD模型和水分子DPD模型置于盒子中，根据实际所需溶液的浓度计算系统中需要放置的水分子和有机物分子的数量。
8.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述步骤四的具体步骤如下：在DPD模块中输入模拟系统的具体信息，进行DPD模拟，保存各DPD珠子的运动轨迹文件和相关计算文件；所述模拟系统的具体信息包括：DPD珠子种类、有机物分子和水分子的DPD组成、各DPD珠子之间的相互作用参数、DPD模拟的时间和步长、对结果文件的保存与输出详细信息。
9.根据权利要求1所述的一种模拟有机物致反渗透膜污染的耗散粒子动力学方法，其特征在于：所述步骤五的具体步骤如下：DPD模拟系统达到稳定平衡状态后，获取膜污染动态过程及其机理观察有机物溶液-反渗透膜表面构成的界面系统中有机物在反渗透膜表面的吸附形态，结合运动轨迹文件和相关计算文件分析获取膜污染动态过程及其机理。
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