一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法技术

本发明专利技术公开了一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，包括使用Materials studio（MS）软件AC模块构建不同晶胞模型，通过Forcite模块对构建的晶胞模型进行几何优化、退火和分子动力学弛豫，涉及电场运算采用script进行计算。采用Forcite分析功能获取体系内分子间相互作用能、表面活性剂头基水分子个数、水分子扩散系数。本发明专利技术从分子角度阐明了荷电活化水雾降尘性能，揭示了不同体系分子间微观作用机理，从分子角度评价不同荷电活化水雾雾化降尘效果，为活性剂优选和最佳荷电参数获取提供参考，避免了传统实验周期长、成本高的缺点。成本高的缺点。成本高的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法


[0001]本专利技术属于粉尘防治
，特别是涉及一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法。

技术介绍

[0002]随着煤炭开采领域机械化程度不断提高，煤矿井下粉尘浓度呈上升趋势，降低了井下作业空间的能见度，增加了事故发生概率和一线工人患病概率。
[0003]目前，井下主要采用纯水喷雾进行降尘，由于纯水自身的表面张力和内聚力较高，不易破碎，与煤尘的相互作用较低，水雾荷电技术和活化水降尘技术成为了一种重要手段。但两者都存在一定的不足。在纯水中加入活化剂，使其变成活化水，活化剂量越多，成本越高，若活化剂降解效率低，将造成二次污染。对于荷电水雾技术，当水雾捕捉粉尘落入地面后，静电将会消失，造成二次扬尘问题。基于此，提出了一种荷电活化水雾降尘技术，对于不同活化水与荷电水雾协同作用尚不明确。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，从分子角度测试了荷电活化水雾的雾化性能和降尘效果，揭示了荷电活化水雾雾化机理和降尘机理。通过分子间相互作用能可以确定荷电活化水与煤分子之间的相互作用能，通过活化水中表面活性剂亲水基附近水分子数量可以确定荷电活化水的保水性能，通过水分子的扩散系数可以确定荷电活化水的起泡性，从而确定最优的荷电活化水雾化降尘参数，避免传统实验周期长、成本高的缺点。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，包括：
[0006]构建煤分子、自来水中水分子和不同离子、不同化学添加剂分子结构，并进行结构优化，作为构建多分子模型的基本单元；
[0007]基于多分子模型的基本单元，构建活化水、煤分子、表面活性剂无定形晶胞模型，根据需要，将晶胞形状设置为球形或方形；对搭建的晶胞模型进行几何优化和动力学弛豫，系综选择NPT，对其进行退火处理；对活化水进行荷电处理，获得荷电活化水；
[0008]基于多分子晶胞模型，构建不同荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型，对荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行几何优化，荷电活化水/煤模型进行动力学弛豫，系综选择NVT，对于表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行动力学弛豫；
[0009]获取荷电活化水/煤模型分子间相互用能和荷电活化水分子间氢键数量，获取活化水中表面活性剂头基附近水分子个数和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型水分子扩散系数，通过计算比较，以进行荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学评价。
[0010]其中，煤分子结构通过X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变化红外光谱(FTIR)、X射
线衍射(XRD)或核磁共振碳谱(
13
C NMR)进行获取；煤分子、水、不同化学添加剂结构优化采用Doml3模块，任务选择Geometry Optimization，密度泛函方法为GGA，泛函形式为PW91，精度设置为Fine。
[0011]其中，采用Materials studio软件中Amorphous Cell模块搭建活化水、煤分子和表面活性剂无定形晶胞，任务选择Construction，精度设置为Fine，密度根据搭建的晶胞进行设置，活化水中不同化学物质分子个数根据不同需求进行设置，力场选择CompassⅡ，电荷选择Forcefield assigned，静电非键求和方法选择Ewald，范德华非键求和方法选择Ewald。
[0012]其中，采用Materials studio软件中Forcite模块对搭建的晶胞模型进行几何优化和动力学弛豫，精度设置为Ultra
‑
fine，几何优化最大迭代步数设置为50000，动力学弛豫任务设置为Dynamics，系综为NPT，控温函数设置为NHL，控压函数设置为Berendsen，温度设置为298K，时间步长设置为1fs，总的模拟时间设置为1000ps，力场选择CompassⅡ，电荷选择Forcefield assigned，静电非键求和方法选择Ewald，范德华非键求和方法选择Ewald。
[0013]其中，退火过程，精度设置为Ultra
‑
fine，退火循环步数设置为10，初始温度设置为298K,中间循环温度设置为1098K，从结果中选取能量最小结构。
[0014]其中，采用script对活化水进行荷电处理，荷电参数为场强，大小和方向根据实际情况进行赋予。
[0015]其中，采用Build Layer工具构建不同荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型，选取退火中能量最小晶胞进行搭建，根据需要选择第一层或第二层，上下层表面留有真空层，采用Forcite模块对荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行几何优化，荷电活化水/煤模型进行动力学弛豫，对于表面活性剂/活化水/表面活性剂模型采用script进行动力学弛豫，电场大小和方向根据实际情况进行赋予，系综都为NVT。
[0016]其中，分子间相互用能计算公式为：
[0017]E
total
＝E
Kinetic
+E
Potential
[0018]式中，E
Kinetic
为分子间动能，E
Potential
为分子间势能；
[0019]分子动能计算公式为
[0020][0021]式中，K
B
为玻尔兹曼常数，T为温度；
[0022]分子势能计算公式为：
[0023]E
Potential
＝E
valence
+E
crossterm
+E
non
‑
bond
[0024]式中E
valence
为价键能，E
crossterm
为共价交叉项能，E
non
‑
bond
为非键能。
[0025]其中，活化水中表面活性剂亲水基附近水分子个数计算公式为：
[0026][0027]式中g(r)为距离表面活性剂头基r处水分子出现的概率，N为系统中水分子数,4πr2dr为球壳的体积，dr是间距a
×
b
×
c为模型的体积，N
head group
为表面活性剂头基总
数。
[0028]其中，水分子扩散系数计算公式为
[0029][0030][0031]式中r
i
(0)为t＝0时水分子的位置，r
i
(t)为t时刻水分子位置。
[0032]区别于现有技术，本专利技术公开了一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，包括使用Materials studio(MS)软件AC模块构建不同抑尘剂晶胞模型、不同煤种晶胞模型，通过For本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，其特征在于，包括：构建煤分子、自来水中水分子和不同离子、不同化学添加剂分子结构，并进行结构优化，作为构建多分子模型的基本单元；基于多分子模型的基本单元，构建活化水、煤分子、表面活性剂无定形晶胞模型，根据需要，将晶胞形状设置为球形或方形；对搭建的晶胞模型进行几何优化和动力学弛豫，系综选择NPT，对其进行退火处理；对活化水进行荷电处理，获得荷电活化水；基于多分子晶胞模型，构建不同荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型，对荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行几何优化，荷电活化水/煤模型进行动力学弛豫，系综选择NVT，对于表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行动力学弛豫；获取荷电活化水/煤模型分子间相互用能和荷电活化水分子间氢键数量，获取活化水中表面活性剂头基附近水分子个数和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型水分子扩散系数，通过计算比较，以进行荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学评价。2.根据权利要求1所述的评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，其特征在于，煤分子结构通过X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变化红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)或核磁共振碳谱(
13
C NMR)进行获取；煤分子、自来水中水分子和不同离子、不同化学添加剂结构优化采用Doml3模块，任务选择Geometry Optimization，密度泛函方法为GGA，泛函形式为PW91，精度设置为Fine。3.根据权利要求1所述的评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，其特征在于，采用Materials studio软件中Amorphous Cell模块搭建活化水、煤分子和表面活性剂无定形晶胞，任务选择Construction，精度设置为Fine，密度根据搭建的晶胞进行设置，活化水中不同化学物质分子个数根据不同需求进行设置，力场选择CompassⅡ，电荷选择Forcefield assigned，静电非键求和方法选择Ewald，范德华非键求和方法选择Ewald。4.根据权利要求1所述的评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，其特征在于，采用Materials studio软件中Forcite模块对搭建的晶胞模型进行几何优化和动力学弛豫，精度设置为Ultra
‑
fine，几何优化最大迭代步数设置为50000，动力学弛豫任务设置为Dynamics，系综为NPT，控温函数设置为NHL，控压函数设置为Berendsen，温度设置为298K，时间步长设置为1fs，总的模拟时间设置为1000ps，力场选择CompassⅡ，电荷选择Forcefield assigned，静电非键求和方法选择Ewald，范德华非键求和方法选择Ewald。5.根据权利要求1所述的评价荷电活化水雾雾化降尘性能的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽英，葛少成，张小伟，陈曦，康健婷，李哲，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：