本发明专利技术涉及一种盐水组分穿越聚偏氟乙烯膜表面纳米孔洞的预测方法。具体为先通过VMD构建体系的结构，随后通过NAMD中Adaptive biasing force方法分别计算水分子，钠离子和氯离子穿越纳米孔洞的自由能曲线。通过在反应路径上积分自由能曲线得到穿越速率。通过对自由能曲线的分解结合相应的结构分析得出穿越机理，并对海水淡化膜的结构优化提供理论指导。通过计算水分子，钠离子和氯离子在不同尺寸孔洞中的穿越速率，得到能用于淡化海水的最大尺寸孔洞。通过对孔洞结构以及修饰基团的更改，得到不同化学环境对该孔洞工作效率的影响。结果表明，使用该方法所得的计算结果准确，且能有效降低设计费用，并显著提高设计效率。因此，本发明专利技术所述的理论方法可用于海水淡化膜的工作效率预测和工作机理的探索。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水处理领域中的理论预测技术，涉及评价反渗透膜工作机理的问题。
技术介绍
我国经济在过去二十多年的改革开放中取得了巨大的成就。在工业快速发展和人 民生活水平迅速提高的同时，伴随着大量工业和生活废水的产生。这些废水污染了很多本 就紧张的淡水资源。而今后社会的继续发展需要更多的水资源。因此现有的水资源不足以 支撑社会的进一步需求。水资源短缺成为限制社会发展的根本问题。 膜分离技术是利用膜对溶液中各个组分选择透过性的差异，来实现对组分溶质和 溶剂的分离。该方法高效，节能，环保，分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等。因此，广 泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、冶金、能源、石油、电子等领域，是为当今分离科学中 最重要的手段之一。同时是当今解决水资源短缺的首选方法。在沿海地区，膜法海水淡化 是缓解这些地区水资源短缺的主要手段。膜法污水资源化是当前解决水污染问题、实现污 水资源化利用的首选技术。同时膜分离技术也被作为新一代自来水厂的净化技术，成为保 障饮用水安全的核心技术。 膜是膜分离技术中的核心元件。根据组成膜的材料，膜可以分为无机膜和有机膜。 根据膜表面孔径的大小，膜依次可以分为微滤膜，超滤膜，纳滤膜，反渗透膜。其中反渗透膜 的孔径只有几纳米，能够有效地去除水中的溶解盐类。反渗透膜均基于高分子材料制备，例 如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚醚砜、氟聚合物等。聚偏氟乙烯（PVDF)是一种结晶性含氟 聚合物，有较好的耐热性且热稳定高，不易降解，并具有其极强的疏水性。因此是理想的膜 材料。近些年来，人们深入探索了各种PVDF膜的制备机理与相关技术，基于该材料制备的 反渗透膜已日趋成熟，广泛应用于沿海各大海水淡化厂。PVDF膜对海水的淡化作用主要依 靠其表面纳米尺度的微孔，选择性的允许水分子通过，同时阻挡离子的穿越。现有的研究主 要集中在通过化学修饰方法对PVDF膜进行改进，测试改进后PVDF膜的纯水通量。同时也 有少量理论方面的研究，这些研究大多集中在探讨高分子膜的结构特征，高分子表面与溶 剂间界面的性质。而从微观角度直接研究PVDF膜对溶液中盐份的滤除过程，特别是水分子 通过膜表面孔洞的过程以及孔洞对离子的排斥过程，则鲜有涉及。 分子动力学模拟是一种常用的理论模拟方法。广泛应用于从微观角度研究生物 膜，纳米管，离子通道蛋白中的纳米孔洞。特别是研究水分子以及离子穿越这些孔洞的过 程。通过模拟，人们大量的研究了磷脂双分子层表面孔洞的形成过程。以及不同的外部环 境，例如，电压，离子浓度，超声波，多肽类小分子等，对孔洞形成过程的影响。并对钠离子、 药物小分子等穿越这些孔洞做了详细的模拟与分析。NIH的Hummer等人通过理论方法发 现，纳米管内有一个稳定的水链结构，其中每个水分子的偶极朝向一致，该结构提高了疏水 性空腔中水分子的稳定性，并大大提高水分子的移动速度。说明纳米孔洞内水链的形成是 水分子高效穿越纳米孔洞的结构基础。时任康奈尔大学Roux教授等人通过模拟发现，在钾 离子通道内有几圈周期性出现的羰基氧原子。每一组羰基氧原子通过静电相互作用稳定一 个钾离子。这几组羰基氧原子会使通道内会形成稳定的KwK(钾离子-水分子-钾离子） 结构。当新一个钾离子到来，其会和一个水分子一起结合在通道一侧，整个KwK结构向另一 侧移动一格，同时另一侧的钾离子和一个水分子会一起释放到环境中，该移动机理大大提 高了钾离子的移动速度，而同样的通道内钠离子不能与羰基氧原子形成NwN(钠离子-水分 子-钠离子）结构，钠离子的移动速度就低很多。同理用N掺杂的碳纳米管（在空腔内部 等间隔掺杂几组N原子）也表现出对某一特定离子的高度通过性。因此孔洞内部的具体结 构及其与离子之间的相互作用显著控制着离子穿越孔洞的速度。 在分子动力学模拟基础上结合自由能计算方法，例如自适应偏置力方法，伞形采 样，微元反应动力学（metadynamics)等，定量的研究离子穿越孔洞过程中各种相互作用的 贡献。该方法大量应用于研究离子通道，计算离子穿越通道时的自由能曲线，寻找穿越过程 中的一些亚稳态，分析这些亚稳态结构。得到自由能最高点的位置，锁定穿越过程中关键残 基的位置。并得到穿越过程的能皇高度，在此基础上计算穿越速率。在通道中离子穿过的 方式不确定，可能是一个离子过完第二个离子再过，也可能是两个或者三个离子一起协同 通过，此时会用二维自由能曲面或三维自由能流型来表示。另外通过计算不同种离子穿越 通道的自由能变化情况，可以比较这些离子穿越孔洞的难易程度。这种方法已广泛的应用 于研究各类离子，小分子穿越多种通道蛋白内部的孔洞。 本项目正是立足于此，通过应用分子动力学模拟方法来研究PVDF膜中纳米孔洞 的稳定结构以及影响该结构的因素。重点研究PVDF膜孔洞中的水链结构，揭示孔洞中水分 子的通过机理。其次结合自由能计算方法，研究钠离子和氯离子穿越PVDF膜表面纳米孔洞 的过程。旨在解决以下三个问题：PVDF膜中纳米孔洞的稳定结构，该孔洞中水分子的通过 机理以及该孔洞对钠离子和氯离子的过滤机理。我们希望通过模拟计算得到PVDF膜中纳 米孔洞中水分子的通过机理和孔洞的拒盐机理。以拓展我们对PVDF膜淡化海水机理的认 识。为以后设计更加高效和耐用的PVDF类海水淡化膜提供理论基础。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在的问题，提供一种理论预测超滤膜与小分子污染物 结合强度的方法，以使评估超滤膜的工作效率。 为实现本专利技术所提供的技术方案包括以下步骤： 1)选取聚偏氟乙烯链用于构建PVDF膜，选取钠离子和氯离子穿越高分子膜表面 的纳米空洞，通过ChemDraw和VMD建模。 2)采用分子动力学模拟软件NAMD模拟体系在溶剂中的运动。在该程序中使用 CHARMM立场描述体系中各个分子之间的相互作用。应用周期性边界条件。使用Langevin动 力学和Langevin活塞压力控制，将温度和压强保持在298K和lbar。使用Verlet r-RESPA 算法对运动方程进行积分。采用SHAKE算法对所有包含氢原子的共价键进行限制。对于非 键相互作用采用应用截断，静电相互作用采用PME方法处理。 3)选取反应坐标，采用Adaptive biasing force method方法计算离子穿越高分 子膜表面纳米孔洞时的自由能变化。当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种快速评价海水淡化膜工作效率的方法，其特征在于：应用理论方法计算水分子，钠离子和氯离子穿越海水淡化膜表面纳米孔洞的穿越速率。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，杨晶晶，谭小耀，杨坤，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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