一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法及系统

1.本技术属于除尘技术领域，具体涉及一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法及系统。


背景技术：

2.煤炭经过炉内燃烧会产生大量的燃煤飞灰细颗粒物，通过烟囱进入大气对环境造成污染，燃煤电站被认为是大气环境中飞灰细颗粒物的重要来源之一。电除尘作为燃煤电站的主要除尘单元，其对飞灰颗粒物的除尘效率高达99.5％以上，但是由于小粒径存在“greenfiled gap”效应，使得大量的细颗粒物无法被捕集而被排入大气中。
3.化学团聚技术是利用各种吸附剂捕获细颗粒物的方法，通过往烟气中喷入团聚剂，使细颗粒物与团聚剂发生物理、化学反应促使细颗粒凝聚变大，从而提高细粒子的去除效率。
4.化学团聚在针对不同性质的颗粒物时都需要进行大量的团聚剂预筛选工作，工业应用中面临着实施周期长，执行成本高等实际问题。传统的试验研究方法由于对象的复杂性，使其具有很大的偶然性，近年来随着量子化学、统计力学、计算方法等相关学科的发展以及计算机能力的空前提高，理论计算进入人们的视野。在以往的实验中，往往需要花费大量的时间去试错，寻找合适的材料。然而利用现有的理论计算软件，可以有效的减少试错的时间成本，预测团聚剂的性能。目前较为常用的理论计算软件有gaussian、vasp、materials studio等、其中materials studio因其擅长计算大分子体系而适合用于模拟团聚剂在细颗粒物上的吸附情况。


技术实现要素：

5.本技术旨在解决现有技术的不足，提出一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法及系统，有利于便捷、准确地筛选团聚剂、预测团聚剂性能的实验成本，缩短研发周期。
6.为实现上述目的，本技术提供了如下方案：
7.一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，包括以下步骤：
8.构建细颗粒物表面模型；
9.构建团聚剂分子模型，并对所述团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型；
10.基于所述优化后分子模型，构建溶液模型；
11.基于所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于所述团聚剂结合能完成筛选。
12.优选的，所述细颗粒物表面模型的构建方法包括：
13.对细颗粒物进行切晶胞操作，得到细颗粒物二维结构；
14.在所述细颗粒物二维结构基础上添加预设厚度的真空层，得到细颗粒物三维晶胞；
15.固定所述细颗粒物三维晶胞的下层原子，得到所述细颗粒物表面模型。
16.优选的，所述团聚剂分子模型的构建方法包括：设定聚合度、分子链数和聚合物类型，构建pam分子模型、sdbs离子模型和水分子模型，结合所述pam分子模型和所述sdbs离子模型，得到所述团聚剂分子模型。
17.优选的，所述结构优化的方法包括：基于forcite模块对所述团聚剂分子模型进行优化，得到能量最低的构型，即所述优化后分子模型。
18.优选的，所述溶液模型包括：复配溶液模型和pam溶液模型；
19.所述复配溶液模型的构建方法包括：基于5个所述pam分子模型、5个所述sdbs离子模型和500个所述水分子模型，构建所述复配溶液模型；
20.所述pam溶液模型的构建方法包括：基于5个所述pam分子模型和500个所述水分子模型，构建所述pam溶液模型。
21.优选的，所述团聚剂结合能的计算方法包括：
22.将所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型结合，得到整体构型，并计算所述整体构型的整体单点能；
23.设置所述细颗粒物表面模型为set a，设置所述溶液模型为set b；
24.基于所述整体构型删除所述set a，得到第一构型，并计算所述第一构型的第一单点能；
25.基于所述整体构型删除所述set b，得到第二构型，并计算所述第二构型的第二单点能；
26.基于所述整体单点能、所述第一单点能和所述第二单点能，计算所述团聚剂结合能。
27.优选的，计算所述团聚剂结合能的公式如下：
28.δe＝e
total-e
surface-e
molecule
29.其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示第二单点能，e
molecule
表示第一单点能。
30.本技术还提供了一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选系统，包括：表面模型构建子系统、模型优化子系统、溶液模型构建子系统和动力学计算子系统；
31.所述表面模型构建子系统用于构建细颗粒物表面模型；
32.所述模型优化子系统用于构建团聚剂分子模型，并对所述团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型；
33.所述溶液模型构建子系统用于基于所述优化后分子模型，构建溶液模型；
34.所述动力学计算子系统用于基于所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于所述团聚剂结合能完成筛选。
35.与现有技术相比，本技术的有益效果为：
36.(1)本技术可以降低实验成本，缩短团聚剂的研发周期；
37.(2)本技术通过改变表面模型的组分，预测待研究不同组分细颗粒物对团聚剂的选择性；
38.(3)本技术还可以进一步借助模型从界面状态分析界面相互作用，对材料的性质进行深一步的探索。
附图说明
39.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本技术实施例的方法流程示意图；
41.图2为本技术实施例的二氧化硅表面模型结构示意图；
42.图3为本技术实施例的复配溶液模型结构示意图；
43.图4为本技术实施例的整体构型结构示意图；
44.图5为本技术实施例的平衡状态的整体构型结构示意图；
45.图6为本技术实施例的吸附动态过程参数示意图；
46.图7为本技术实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
47.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
48.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
49.实施例一
50.在本实施例中，如图1所示，一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，包括以下步骤：
51.s1.构建细颗粒物表面模型。
52.细颗粒物表面模型的构建方法包括：对细颗粒物进行切晶胞操作，得到细颗粒物二维结构；在细颗粒物二维结构基础上添加预设厚度的真空层，得到细颗粒物三维晶胞；固定细颗粒物三维晶胞的下层原子，得到细颗粒物表面模型。
53.切晶胞时需要确定预先设置切的晶面、超胞后的尺寸、真空层的厚度等。扩胞时尺寸应满足以下要求：长宽大于两倍的范德华力半径，厚度大于一倍范德华力半径。切表面如切断共价键则需要对切断的键进行补齐。
54.在本实施例中，以二氧化硅为例，对结构优化后的晶胞模型切面，厚度为10层，超胞6*6。将切断的si-o键用羟基进行补齐。因为表面是二维结构，需要添加真空层转化为三维晶胞，为了使上下表面互不干扰，真空层的厚度取15埃。为使模型更接近现实中表面模型的特征，固定下层的原子，得到二氧化硅表面模型如图2所示。
55.s2.构建团聚剂分子模型，并对团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型。
56.团聚剂分子模型的构建方法包括：设定聚合度、分子链数和聚合物类型，构建pam分子模型、sdbs离子模型和水分子模型，结合pam分子模型和sdbs离子模型，得到团聚剂分子模型。
57.在本实施例中，构建pam的一个分子单元，标记头尾氢原子。设定聚合度为10、链数
为1，聚合类型为均聚物，得到pam分子模型。sdbs在溶液中以离子形式存在，故构建水解后离子模型，及sdbs离子模型。最后构建水分子模型。
58.结构优化的方法包括：基于forcite模块对团聚剂分子模型进行优化，得到能量最低的构型，即优化后分子模型。
59.在本实施例中，对所需要计算的所有模型进行forcite模块的结构优化。需要找到一种适合所有原子的力场类型，同时检查电荷是否正确。对所有分子进行结构优化，得到能量最低的构型。因为经典力场适用于sio2表面，因此直接使用经典力场compassⅲ进行模型优化，得到优化后分子模型。
60.s3.基于优化后分子模型，构建溶液模型。
61.溶液模型包括：复配溶液模型和pam溶液模型。复配溶液模型的构建方法包括：基于5个pam分子模型、5个sdbs离子模型和500个水分子模型，构建复配溶液模型；pam溶液模型的构建方法包括：基于5个pam分子模型和500个水分子模型，构建pam溶液模型。
62.在本实施例中，使用amorphous cell calculation模块创建一个空晶胞，在molecule选项中导入之前已经建立的分子模型，pam分子5个、sdbs离子5个和水分子500个。检查之前准备的6*6sio2表面模型的长宽为29.478
×
32.4312埃，调整溶液与表面模型的接触面长宽相等，之前设置表面模型满足要求，故只需保证溶液模型厚度大于一倍范德华力截断半径。为下一步结合做准备。将模块中的力场设置改为与分子模型所用的力场一致，即为compassⅲ，由于导入的模型已经计算好了电荷，所以将charges选项设置为use current。将精度设置为“fine”进行结构优化，得到能量最低的复配溶液模型如图3。同理在导入分子模型时不导入sdbs离子，仅导入pam分子5个、水分子500个。后续设置与上同，得到pam溶液模型。
63.s4.基于细颗粒物表面模型和溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于团聚剂结合能完成筛选。
64.团聚剂结合能的计算方法包括：将细颗粒物表面模型和溶液模型结合，得到整体构型，并计算整体构型的整体单点能；设置细颗粒物表面模型为set a，设置溶液模型为set b；基于整体构型删除set a，得到第一构型，并计算第一构型的第一单点能；基于整体构型删除set b，得到第二构型，并计算第二构型的第二单点能；基于整体单点能、第一单点能和第二单点能，计算团聚剂结合能，公式如下：
65.δe＝e
total-e
surface-e
molecule
66.其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示第二单点能，e
molecule
表示第一单点能。
67.在本实施例中，用build layer将溶液模型与二氧化硅表面模型结合，添加厚度为20埃的真空层防止上下周期性结构互相影响，得到整体构型，如图4所示，将最后得到的模型进行分子动力学计算，设置系综为npt及环境参数,本示例为温度298k。得到平衡状态如图5。设置sio2表面模型为set a，溶液模型为set b。对结构优化结束后的整体构型复制三份。一份删除set a，另一份删除set b。对三个构型分别进行单点能的计算得到结合能，公式如下：
68.δe＝e
total-e
surface-e
molecule
69.其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示表面模型的单点
能，e
molecule
表示团聚剂分子模型的单点能。
70.得到复配团聚剂与sio2表面的界面吸附能大于pam团聚剂与sio2表面的界面吸附能，利用forcite模块的的性质计算并通过analysis将结果展示出来，可以通过各项参数得到该团聚剂的吸附的动态过程参数如图6均方位移等。
71.实施例二
72.在本实施例二中，如图7所示，一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选系统，包括：表面模型构建子系统、模型优化子系统、溶液模型构建子系统和动力学计算子系统。
73.表面模型构建子系统用于构建细颗粒物表面模型。
74.细颗粒物表面模型的构建方法包括：对细颗粒物进行切晶胞操作，得到细颗粒物二维结构；在细颗粒物二维结构基础上添加预设厚度的真空层，得到细颗粒物三维晶胞；固定细颗粒物三维晶胞的下层原子，得到细颗粒物表面模型。
75.切晶胞时需要确定预先设置切的晶面、超胞后的尺寸、真空层的厚度等。扩胞时尺寸应满足以下要求：长宽大于两倍的范德华力半径，厚度大于一倍范德华力半径。切表面如切断共价键则需要对切断的键进行补齐。
76.在本实施例中，以二氧化硅为例，对结构优化后的晶胞模型切面，厚度为10层，超胞6*6。将切断的si-o键用羟基进行补齐。因为表面是二维结构，需要添加真空层转化为三维晶胞，为了使上下表面互不干扰，真空层的厚度取15埃。为使模型更接近现实中表面模型的特征，固定下层的原子，得到二氧化硅表面模型。
77.模型优化子系统用于构建团聚剂分子模型，并对团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型。
78.团聚剂分子模型的构建方法包括：设定聚合度、分子链数和聚合物类型，构建pam分子模型、sdbs离子模型和水分子模型，结合pam分子模型和sdbs离子模型，得到团聚剂分子模型。
79.在本实施例中，构建pam的一个分子单元，标记头尾氢原子。设定聚合度为10、链数为1，聚合类型为均聚物，得到pam分子模型。sdbs在溶液中以离子形式存在，故构建水解后离子模型，及sdbs离子模型。最后构建水分子模型。
80.结构优化的方法包括：基于forcite模块对团聚剂分子模型进行优化，得到能量最低的构型，即优化后分子模型。
81.在本实施例中，对所需要计算的所有模型进行forcite模块的结构优化。需要找到一种适合所有原子的力场类型，同时检查电荷是否正确。对所有分子进行结构优化，得到能量最低的构型。因为经典力场适用于sio2表面，因此直接使用经典力场compassⅲ进行模型优化，得到优化后分子模型。
82.溶液模型构建子系统用于基于优化后分子模型，构建溶液模型。
83.溶液模型包括：复配溶液模型和pam溶液模型。复配溶液模型的构建方法包括：基于5个pam分子模型、5个sdbs离子模型和500个水分子模型，构建复配溶液模型；pam溶液模型的构建方法包括：基于5个pam分子模型和500个水分子模型，构建pam溶液模型。
84.在本实施例中，使用amorphous cell calculation模块创建一个空晶胞，在molecule选项中导入之前已经建立的分子模型，pam分子5个、sdbs离子5个和水分子500个。检查之前准备的6*6sio2表面模型的长宽为29.478
×
32.4312埃，调整溶液与表面模型的接
触面长宽相等，之前设置表面模型满足要求，故只需保证溶液模型厚度大于一倍范德华力截断半径。为下一步结合做准备。将模块中的力场设置改为与分子模型所用的力场一致，即为compassⅲ，由于导入的模型已经计算好了电荷，所以将charges选项设置为use current。将精度设置为“fine”进行结构优化，得到能量最低的复配溶液模型。同理在导入分子模型时不导入sdbs离子，仅导入pam分子5个、水分子500个。后续设置与上同，得到pam溶液模型。
85.动力学计算子系统用于基于细颗粒物表面模型和溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于团聚剂结合能完成筛选。
86.团聚剂结合能的计算方法包括：将细颗粒物表面模型和溶液模型结合，得到整体构型，并计算整体构型的整体单点能；设置细颗粒物表面模型为set a，设置溶液模型为set b；基于整体构型删除set a，得到第一构型，并计算第一构型的第一单点能；基于整体构型删除set b，得到第二构型，并计算第二构型的第二单点能；基于整体单点能、第一单点能和第二单点能，计算团聚剂结合能，公式如下：
87.δe＝e
total-e
surface-e
molecule
88.其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示第二单点能，e
molecule
表示第一单点能。
89.在本实施例中，用build layer将溶液模型与二氧化硅表面模型结合，添加厚度为20埃的真空层防止上下周期性结构互相影响，得到整体构型，将最后得到的模型进行分子动力学计算，设置系综为npt及环境参数,本示例为温度298k。得到平衡状态。设置sio2表面模型为set a，溶液模型为set b。对结构优化结束后的整体构型复制三份。一份删除set a，另一份删除set b。对三个构型分别进行单点能的计算得到结合能，公式如下：
90.δe
×etotal-e
surface-e
molecule
91.其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示表面模型的单点能，e
molecule
表示团聚剂分子模型的单点能。
92.得到复配团聚剂与sio2表面的界面吸附能大于pam团聚剂与sio2表面的界面吸附能，利用forcite模块的的性质计算并通过analysis将结果展示出来，可以通过各项参数得到该团聚剂的吸附的动态过程参数均方位移等。
93.以上所述的实施例仅是对本技术优选方式进行的描述，并非对本技术的范围进行限定，在不脱离本技术设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本技术的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本技术权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：构建细颗粒物表面模型；构建团聚剂分子模型，并对所述团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型；基于所述优化后分子模型，构建溶液模型；基于所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于所述团聚剂结合能完成筛选。2.根据权利要求1所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，所述细颗粒物表面模型的构建方法包括：对细颗粒物进行切晶胞操作，得到细颗粒物二维结构；在所述细颗粒物二维结构基础上添加预设厚度的真空层，得到细颗粒物三维晶胞；固定所述细颗粒物三维晶胞的下层原子，得到所述细颗粒物表面模型。3.根据权利要求1所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，所述团聚剂分子模型的构建方法包括：设定聚合度、分子链数和聚合物类型，构建pam分子模型、sdbs离子模型和水分子模型，结合所述pam分子模型和所述sdbs离子模型，得到所述团聚剂分子模型。4.根据权利要求3所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，所述结构优化的方法包括：基于forcite模块对所述团聚剂分子模型进行优化，得到能量最低的构型，即所述优化后分子模型。5.根据权利要求3所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，所述溶液模型包括：复配溶液模型和pam溶液模型；所述复配溶液模型的构建方法包括：基于5个所述pam分子模型、5个所述sdbs离子模型和500个所述水分子模型，构建所述复配溶液模型；所述pam溶液模型的构建方法包括：基于5个所述pam分子模型和500个所述水分子模型，构建所述pam溶液模型。6.根据权利要求1所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，所述团聚剂结合能的计算方法包括：将所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型结合，得到整体构型，并计算所述整体构型的整体单点能；设置所述细颗粒物表面模型为set a，设置所述溶液模型为set b；基于所述整体构型删除所述set a，得到第一构型，并计算所述第一构型的第一单点能；基于所述整体构型删除所述set b，得到第二构型，并计算所述第二构型的第二单点能；基于所述整体单点能、所述第一单点能和所述第二单点能，计算所述团聚剂结合能。7.根据权利要求6所述一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法，其特征在于，计算所述团聚剂结合能的公式如下：δe＝e
total-e
surface-e
molecule
其中，δe表示团聚剂结合能，e
total
表示整体单点能，e
surface
表示第二单点能，e
molecule
表示第一单点能。
8.一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选系统，其特征在于，包括：表面模型构建子系统、模型优化子系统、溶液模型构建子系统和动力学计算子系统；所述表面模型构建子系统用于构建细颗粒物表面模型；所述模型优化子系统用于构建团聚剂分子模型，并对所述团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型；所述溶液模型构建子系统用于基于所述优化后分子模型，构建溶液模型；所述动力学计算子系统用于基于所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于所述团聚剂结合能完成筛选。

技术总结
本申请公开了一种基于分子动力学的复配团聚剂筛选方法及系统，其中方法包括以下步骤：构建细颗粒物表面模型；构建团聚剂分子模型，并对所述团聚剂分子模型进行结构优化，得到优化后分子模型；基于所述优化后分子模型，构建溶液模型；基于所述细颗粒物表面模型和所述溶液模型进行分子动力学计算，得到团聚剂结合能，并基于所述团聚剂结合能完成筛选。本申请可以降低实验成本，缩短团聚剂的研发周期；通过改变表面模型的组分，预测待研究不同组分细颗粒物对团聚剂的选择性；还可以进一步借助模型从界面状态分析界面相互作用，对材料的性质进行深一步的探索。质进行深一步的探索。质进行深一步的探索。


技术研发人员：周磊 魏志祥 代威力 范俊康 计枫斌 刘师铠 肖治浪
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/21