研究碳纳米管复合材料对4-氯苯酚的吸附机理的模拟方法技术

本发明专利技术提出研究碳纳米管复合材料对4

【技术实现步骤摘要】
研究碳纳米管复合材料对4
‑
氯苯酚的吸附机理的模拟方法


[0001]本专利技术涉及高分子材料模拟
，尤其是研究碳纳米管复合材料对4
‑
氯苯酚的吸附机理的模拟方法。

技术介绍

[0002]随着工业的高速发展，工业生产中产生的含酚废水不经处理就排放到自然水体中，不仅对水体环境造成严重污染，也严重威胁到人类的健康。吸附法是利用多孔性的固体吸附剂将水体中的一种或数种组分吸附于表面，从而净化水体的一种方法。由于操作简单、效果稳定等特点，成为去除废水中酚类化合物最有效的技术之一。
[0003]碳纳米管(CNTs)具有高比表面积和丰富的孔隙结构，可以提供更多的吸附位点，能够高效地吸附水中的污染物。CNTs与壳聚糖(CTS)、聚乳酸(PLA)复合可以提高CNTs对水污染物的吸附性能。
[0004]然而，传统的试验方式对碳纳米管复合材料对4
‑
氯苯酚吸附机理的研究还存在着不足，只能得到宏观上的结果，无法在分子水平上针对特定的作用力进行分析。分子动力学模拟是从分子水平探索物质微观作用本质的有效手段，针对水溶液中存在的4
‑
氯苯酚污染，将分子动力学模拟技术用于研究4
‑
氯苯酚在碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料扩散和吸附特性，获得碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料和4
‑
氯苯酚在分子水平的相互作用机制。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出研究碳纳米管复合材料对4
‑
氯苯酚的吸附机理的模拟方法，该方法基于分子动力学模拟方法，选取适当的力场，设定合理的模拟参数和方法步骤，模拟吸附过程，统计分析结果，主要包括4
‑
氯苯酚的均方位移分布、径向分布函数、吸附位点、吸附能等，从而更好地分析水溶液中4
‑
氯苯酚在复合材料处的吸附特性，并揭示机理。
[0006]本专利技术采用以下技术方案。
[0007]研究碳纳米管复合材料对4
‑
氯苯酚的吸附机理的模拟方法，包括以下步骤；
[0008]步骤S1、基于蒙特卡洛方法构建碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系无定型晶胞模型，并构建4
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氯苯酚分子模型和水分子模型；构建固液界面模型，并向模型的盒子中添加水分子和4
‑
氯苯酚分子，得到碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料与4
‑
氯苯酚溶液的吸附体系初始模型；
[0009]步骤S2、对构建好的模型进行几何结构优化，找到全局最优构象；
[0010]步骤S3、对结构优化后的模型进行分子动力学计算，获得吸附平衡构型；
[0011]步骤S4、对分子动力学计算之后获得的吸附体系的分子结构变化以及体系各物质在模拟过程的动力学信息进行分析，研究碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料对4
‑
氯苯酚的吸附机理。
[0012]步骤S1中，由Material Studio软件基于蒙特卡洛方法构建碳纳米管/壳聚糖/聚
乳酸体系无定型晶胞模型，利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建固液界面模型，利用Sketch工具构建4
‑
氯苯酚分子模型和水分子模型；构建的固液界面模型为吸附模型，即模拟盒子，向模拟盒子中添加水分子和4
‑
氯苯酚分子时，Layer 1导入碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料模型，Layer2导入4
‑
氯苯酚溶液模型，并延长Z轴添加高度为的真空层，以防止模型中的分子与自己的周期性镜像发生作用而产生错误的结果。构建的吸附模型称为模拟盒子，设置的模拟盒子大小为(X
×
Y
×
Z)，模拟盒子分为两部分，上半部分为包含4
‑
氯苯酚分子的水溶液，模型的下半部分为碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合模型。
[0013]所述步骤S1中，共构建三种复合材料体系，分别是：碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs/CTS/PLA，加入羧基化CNTs的碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs
‑
COOH/CTS/PLA、加入羟基化CNTs的碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs
‑
OH/CTS/PLA；接枝官能团数量是碳纳米管总碳原子数的6％；具体方法为：首先借助Material Studio软件buildpolymers模块构造出聚合度分别为30和20的聚乳酸和壳聚糖模型，之后将构建好的聚乳酸和壳聚糖模型进行几何结构优化；
[0014]然后利用Build Nanostructure工具构建出(6,6)型单壁碳纳米管，长度为为防止非键合碳原子的影响，通过Adjust Hydrogen对碳纳米管模型进行加氢处理，
[0015]最后利用Sketch工具构建4
‑
氯苯酚分子模型和水分子模型；设置模拟空间三个方向边界均为周期性边界，4
‑
氯苯酚分子采用刚性模型，水分子采用SPC/E模型；向模拟盒子中添加3000个水分子和32个4
‑
氯苯酚分子，模拟盒子分为两部分，上半部分为包含4
‑
氯苯酚分子的水溶液，模型的下半部分为碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合模型，得到碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料与4
‑
氯苯酚溶液的吸附体系初始模型，最终体系的大小为
[0016]所述步骤S2中，利用Forcite模块对构建的模型进行结构优化的参数如下：力场为COMPASS，库伦作用与范德华作用分别选用Ewald算法与Atom based算法，能量和力的收敛容差分别为2
×
10
‑5kcal/mol和选择Smart算法，收敛精度为Fine，最大迭代次数为500。
[0017]所述步骤S3中对得到的能量最小化体系进行分子动力学模拟，分子动力学计算参数为：选择NVT系综，控温方法为Nose，温度为298K，压力控制采用Berendsen方法，模拟压力为0，静电项为Ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用Atom based求和法；时间步长为1fs，模拟总时长为2000ps，以5ps为一帧进行结果输出，获得平衡构型。
[0018]所述步骤S4中，根据得到的平衡构型的轨迹文件，利用Forcite模块中的Analysis工具获得吸附模拟过程的动力学信息，对得到的吸附体系内4
‑
氯苯酚的均方位移曲线、径向分布函数、吸附能进行分析，揭示复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理。
[0019]所述步骤S4中，4
‑
氯苯酚的均方位移分布MSD用于反映4
‑
氯苯酚的扩散速率随时间的变化，该变化的均方位移曲线以公式一表述为；
[0020][0021]式中，N表示计算的粒子总数，r(t)表示粒子在时刻t时候的位置。
[0022]所述步骤S4中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.研究碳纳米管复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤；步骤S1、基于蒙特卡洛方法构建碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系无定型晶胞模型，并构建4
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氯苯酚分子模型和水分子模型；构建固液界面模型，并向模型的盒子中添加水分子和4
‑
氯苯酚分子，得到碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料与4
‑
氯苯酚溶液的吸附体系初始模型；步骤S2、对构建好的模型进行几何结构优化，找到全局最优构象；步骤S3、对结构优化后的模型进行分子动力学计算，获得吸附平衡构型；步骤S4、对分子动力学计算之后获得的吸附体系的分子结构变化以及体系各物质在模拟过程的动力学信息进行分析，研究碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理。2.根据权利要求1所述的研究碳纳米管复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理的模拟方法，其特征在于：步骤S1中，由Material Studio软件基于蒙特卡洛方法构建碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系无定型晶胞模型，利用Amorphous Cell Construction工具和Build Layers工具构建固液界面模型，利用Sketch工具构建4
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氯苯酚分子模型和水分子模型；构建的固液界面模型为吸附模型，即模拟盒子，向模拟盒子中添加水分子和4
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氯苯酚分子时，Layer 1导入碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料模型，Layer 2导入4
‑
氯苯酚溶液模型，并延长Z轴添加高度为的真空层，以防止模型中的分子与自己的周期性镜像发生作用而产生错误的结果。构建的吸附模型称为模拟盒子，设置的模拟盒子大小为模拟盒子分为两部分，上半部分为包含4
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氯苯酚分子的水溶液，模型的下半部分为碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合模型。3.根据权利要求2所述的研究碳纳米管复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理的模拟方法，其特征在于：所述步骤S1中，共构建三种复合材料体系，分别是：碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs/CTS/PLA，加入羧基化CNTs的碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs
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COOH/CTS/PLA、加入羟基化CNTs的碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸体系CNTs
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OH/CTS/PLA；接枝官能团数量是碳纳米管总碳原子数的6％；具体方法为：首先借助Material Studio软件buildpolymers模块构造出聚合度分别为30和20的聚乳酸和壳聚糖模型，之后将构建好的聚乳酸和壳聚糖模型进行几何结构优化；然后利用BuildNanostructure工具构建出(6,6)型单壁碳纳米管，长度为为防止非键合碳原子的影响，通过Adjust Hydrogen对碳纳米管模型进行加氢处理，最后利用Sketch工具构建4
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氯苯酚分子模型和水分子模型；设置模拟空间三个方向边界均为周期性边界，4
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氯苯酚分子采用刚性模型，水分子采用SPC/E模型；向模拟盒子中添加3000个水分子和32个4
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氯苯酚分子，模拟盒子分为两部分，上半部分为包含4
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氯苯酚分子的水溶液，模型的下半部分为碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合模型，得到碳纳米管/壳聚糖/聚乳酸复合材料与4
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氯苯酚溶液的吸附体系初始模型，最终体系的大小为4.根据权利要求1所述的研究碳纳米管复合材料对4
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氯苯酚的吸附机理的模拟方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用Forcite模块对构建的模型进行结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢月美，雷威，刘建仁，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：