一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，包括以下步骤：①构建碳材料模型并进行几何优化，以无定形碳为初始结构，并建立孔道；②计算碳材料模型的自由体积；③构建碳材料－吸附质液相体系并进行几何优化；④对碳材料－吸附质液相体进行系模拟退火处理，得到全局最优构象；⑤对全局最优构象进行动力学弛豫模拟；⑥分析扩散系数。本发明专利技术可更精准的利用分子动力学模拟方法得到吸附剂内部孔道几何结构与污染物扩散速率的关系，从而可以为高效吸附剂内部孔隙几何结构的设计与开发提供理论参考。

A simulation method for analyzing diffusivity of pollutants in porous carbon materials

The invention discloses a simulation method for analyzing the diffusion properties of pollutants in porous carbon material pores, including the following steps: (1) building a carbon material model and optimizing its geometry, using amorphous carbon as the initial structure and establishing a pore channel; (2) calculating the free volume of the carbon material model; and constructing a carbon material adsorptive liquid phase body. The global optimal conformation was obtained by simulated annealing treatment of carbon material adsorbate liquid phase, and (5) the dynamic relaxation simulation of the global optimal conformation was carried out; and the diffusion coefficient was analyzed. This invention can be more accurate to use the molecular dynamics simulation method to obtain the relationship between the geometric structure of the internal pore of the adsorbent and the diffusion rate of the pollutants, which can provide a theoretical reference for the design and development of the internal pore geometry of the high efficiency adsorbent.

【技术实现步骤摘要】
一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法
本专利技术涉及一种多孔碳材料吸附污染物性能的方法，特别是一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法。
技术介绍
近年来，城市生活污水和工农业废水的不合理排放，与人们对高质量水质的需求越来越冲突。但水中的有毒有害物质经过物理化学、生物法等一系列传统的水处理后，有时仍需要吸附法等技术进行深度处理。通常为了保证吸附达到平衡，吸附时间通常要几小时甚至几天，但在实际水处理中，比如在人工湿地中，由于水量大和流速等因素的制约，水与吸附剂接触的时间不足以达到吸附平衡，使得吸附效果大大降低。近年来，为了进一步提高水深度净化处理过程中的吸附效率，研究人员开发了许多新型的吸附材料，其中包括多级孔材料的制备，希望通过控制吸附质在吸附剂内部孔道中的扩散速率来间接提高整体的吸附效率。而在实验过程中，往往很难把扩散和吸附区分开来，无法得到吸附剂内部孔道几何结构与扩散速率的关系。随着分子模拟技术的发展，通过模拟手段研究和预测某些材料的性质已成为可能。其中分子动力学主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，在立场的作用下，分子的运动轨迹服从牛顿运动方程，因此可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：①构建碳材料模型并进行几何优化，以无定形碳为初始结构，并建立孔道，按多种孔道变量的不同分为多组碳材料模型；②计算步骤①得到的碳材料模型的自由体积；③构建碳材料－吸附质液相体系并进行几何优化，在碳材料模型的孔道中放入由步骤②计算得到的水分子数量和根据真实污染物浓度计算得到的吸附质分子数量，并对其进行几何优化，找到局部最优构象；④对碳材料－吸附质液相体进行系模拟退火处理，得到全局最优构象；⑤对全局最优构象进行动力学弛豫模拟；⑥分析扩散系数，根据步骤⑤中的动力学弛豫模拟所输出的分子动力学轨迹，计算均方位移，采用聚类分析...

【技术特征摘要】
1.一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：①构建碳材料模型并进行几何优化，以无定形碳为初始结构，并建立孔道，按多种孔道变量的不同分为多组碳材料模型；②计算步骤①得到的碳材料模型的自由体积；③构建碳材料－吸附质液相体系并进行几何优化，在碳材料模型的孔道中放入由步骤②计算得到的水分子数量和根据真实污染物浓度计算得到的吸附质分子数量，并对其进行几何优化，找到局部最优构象；④对碳材料－吸附质液相体进行系模拟退火处理，得到全局最优构象；⑤对全局最优构象进行动力学弛豫模拟；⑥分析扩散系数，根据步骤⑤中的动力学弛豫模拟所输出的分子动力学轨迹，计算均方位移，采用聚类分析方法得到扩散系数。2.根据权利要求1所述的分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，其特征在于：所述步骤①中，碳材料模型分组按单一孔径大小不同、不同孔径大小排列比例不同、孔道连接方式不同、孔道长度不同、孔道截面形状不同和孔道弯曲程度不同6种方式进行。3.根据权利要求1所述的分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，其特征在于，所述步骤①和③中几何优化的具体方法是：首先采用最速下降法，当模型的体系能量下降到10Kcal/mol时，其优化方法由最速下降法转变为共轭梯度法或牛顿法进行更精确的优化，直至体系的能量收敛至1*10-5Kcal...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁涛，沈佳玲，张明，穆金霞，徐立恒，石明娟，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33