【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水污染处理材料，具体涉及一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法。
技术介绍
1、随着全球环境问题的日益严峻，特别是在水资源污染领域，有效处理和回收利用废水成为环境保护和资源可持续发展的重要课题。生物炭作为一种源自农业残留物或废弃生物质的热解产物，凭借其独特的多孔结构和表面性质，在水体污染物吸附与回收领域展现出了巨大潜力。生物炭的强吸附能力及疏水性使其成为废水处理中回收资源的理想材料，尤其是在处理含有重金属、有机污染物的工业废水方面。
2、然而，尽管生物炭在水处理领域的应用前景广阔，但传统生物炭材料的制备与改性设计往往依赖于大量实验试错，这种方法不仅耗时耗资巨大，且效率低下，难以精准调控材料性能。在实际吸附过程中，生物炭与污染物间的相互作用复杂多样，受生物炭表面结构、孔隙大小分布、官能团类型等多种因素共同影响。单一依赖实验方法很难在微观尺度上准确揭示污染物吸附机制，导致材料性能优化充满不确定性，限制了高性能生物炭吸附材料的研发进程。现有技术对于某一污染物生物炭吸附材料的设计，多是通过大量的实验试错来决定出最终的制备条件，这种设计方法充满了不确定性，也会导致大量的材料被浪费，这对于设计出一种高吸附性能生物炭材料是极其不利的。
3、有鉴于此，科研人员已开始探索理论计算与实验相结合的新途径，尤其是通过密度泛函理论和分子动力学模拟技术，以期深入理解并预测生物炭与目标污染物的相互作用机制。这些先进计算方法允许在原子尺度上解析吸附行为，预测最优吸附位点、评估不同官能团和孔隙结构对吸附性能的影响，从
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本申请公开了一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，包括以下步骤：
3、s1、获取生物炭基本结构信息；
4、s2、根据获取的生物炭基本结构信息构建生物炭表面模型和孔隙结构模型，并建立污染物分子模型和环境因子模型；
5、s3、将包括羟基、羧基、叔胺基、含氮或含硫官能团中的一种或几种官能团接枝在步骤s2构建立的生物炭表面模型上，建立多种含不同官能团的生物炭表面模型；
6、s4、对s2中的孔隙结构模型和污染物分子模型与s3中的多种含不同官能团的生物炭表面模型进行结构优化，使生物炭表面模型处于能量最低化；
7、s5、基于s4优化的多种含不同官能团的生物炭表面模型和污染物分子模型，在s2建立的环境因子模型下对模型进行模拟计算，比较含不同官能团的生物炭表面模型对污染物分子的吸附能ead；
8、s6、利用s4中优化后的孔隙结构模型、污染物分子模型和s2中的环境因子模型，通过分子动力学模拟计算确定吸附效果最佳时的生物炭孔隙结构模型；
9、s7、根据步骤s5和s6模拟计算得到吸附能ead最大时的生物炭表面模型和吸附效果最佳时的孔隙结构模型；
10、s8、通过比较s7吸附能ead最大时的生物炭表面模型和吸附效果最佳时的孔隙结构模型与s2构建的生物炭表面模型和孔隙结构模型之间官能团和孔隙结构差异，选择改性剂对生物炭进行改性。
11、进一步地，所述步骤s5包括以下步骤：
12、a1、在s2建立的环境因子模型下，将污染物分子模型放置于多种含不同官能团的生物炭表面模型的预设吸附位点，生成吸附复合体系模型；
13、a2、计算交换关联泛函、设定电子结构计算精度，对未吸附状态的生物炭表面模型ea、自由状态的污染物分子模型eb以及形成的吸附复合物模型eab分别进行dft单点能量计算；
14、a3、计算每种官能团修饰的生物炭表面模型与污染物分子模型的吸附能，吸附能计算公式为ead＝eab-(ea+eb)；
15、其中，ead表示吸附能、eab表示吸附复合物的总能量、ea表示污染物分子单独存在时的单点能量和eb表示含有官能团的生物炭表面的单点能量。
16、进一步地，步骤a2计算交换关联泛函采用的方法为gga算法下的pbe方法；所述电子结构计算精度为采用450ev平面波截断能；结构优化时k点密度的网格为2×2×1；电子性质计算时k点密度的网格为9×9×1；几何优化的收敛标准为总能量变化小于10-5ev。
17、进一步地，所述s6通过分子动力学模拟计算确定吸附效果最佳时的生物炭孔隙结构包括：将x个水分子模型和y个污染物分子模型置于包含孔隙结构模型的模拟体系中，执行分子动力学模拟，确定污染物分子模型吸附效果最佳时的孔隙结构参数；
18、所述孔隙结构参数包括孔隙直径、孔隙形状和层间距。
19、进一步地，所述分子动力学模拟参数为选用cvff力场，选用nvt系综。
20、进一步地，s1所述生物炭的基本结构信息包括生物炭材料的晶胞参数信息、生物炭材料的孔隙结构信息和生物炭材料的表面官能团信息；
21、其中，通过xrd衍射实验获取生物炭材料的晶胞参数信息，通过n2等温吸脱附曲线获取生物炭材料的孔隙结构信息，通过ft-ir谱图分析获取生物炭材料的表面官能团情况，通过bet法获取生物炭材料的比表面积。
22、进一步地，步骤s2所述构建孔隙结构模型所采用的方法为：根据生物炭基本结构信息将多层生物炭板按设定比例组合来模拟生物炭的孔隙结构。
23、进一步地，步骤s8所述的选择改性剂对生物炭进行改性包括以下步骤：
24、f1、将质量比为1：3-7的松木粉末、浓度为16％-18％的磷酸溶液混合，将混合溶液放入超声波发生器中超声处理并间断搅拌30-40min制备悬浮液，然后进行磁力搅拌3-6h；
25、f2、将混合溶液进行沉淀离心，分离混合物；
26、f3、将混合物在烘箱中干燥，干燥完成后将混合物粉末放入管式炉中在无氧条件下热解1.5-2.5h；
27、f4、热解完成后将混合物冷却到室温后用去离子水洗涤至中性，置于恒温烘箱内干燥，得到磷酸活化生物炭；
28、f5、将改性剂与f4中得到的磷酸活化生物炭在磁力搅拌器上充分搅拌混合再加入交联剂进行改性，使用布氏漏斗对混合物进行抽滤去除多余改性剂，然后在恒温烘箱中干燥，得到表面改性生物炭。
29、进一步地，所述环境因子模型包括但不限于温度、ph、离子强度、湿度、风速或光照。
30、本专利技术的有益效果：
31、(1)本专利技术通过结合xrd、ft-ir、bet实验手段获取生物炭的结构信息，借助dft理论计算和分子动力学模拟，能够在分子和电子层次深入探究生物炭与目标污染物的相互作用机理，实现对生物炭表面官能团和孔隙结构的精准设计，这种设计方法确保了改性生物炭材料具有针对特定污染物的高吸附效能。
32、(2)本专利技术通过模拟计算，能够识别出吸附目标污染物最佳的表面改性官能团和孔隙本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤A2计算交换关联泛函采用的方法为GGA算法下的PBE方法；所述电子结构计算精度为：
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，所述S6通过分子动力学模拟计算确定吸附效果最佳时的生物炭孔隙结构包括：
5.根据权利要求4所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：
6.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：
7.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤S2所述构建孔隙结构模型所采用的方法为：
8.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤
9.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，步骤a2计算交换关联泛函采用的方法为gga算法下的pbe方法；所述电子结构计算精度为：
4.根据权利要求1所述的一种基于模拟计算的改性生物炭吸附材料的制备方法，其特征在于，所述s6通过分子动力学模拟计算确定吸附效果最佳时的生物炭孔隙结构包括：
5....
【专利技术属性】
技术研发人员：王军良，丁树恒，罗阳春，陈金海，吴旻，胡沔，潘志彦，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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