一種快速評價超濾膜與有機小分子污染物結合強度的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超濾膜表面吸附單元與小分子污染物結合強度的預測方法。具體為先構建體系的結構，隨后計算小分子與超濾膜表面吸附單元的結合自由能曲線，在此基礎上計算出結合常數。通過對結合過程的分析得出結合機理，并對吸附單元的優(yōu)化提供理論指導。結果表明，使用該方法所得的計算結果準確，且能有效降低設計費用，并顯著提高設計效率。因此，本文所述的理論方法可用于超濾膜表面吸附單元與小分子污染物結合強度的預測。
【專利說明】一種快速評價超濾膜與有機小分子污染物結合強度的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理領域中的理論預測技術，涉及評價超濾膜工組效率的問題。
【背景技術】
[0002]自來水是我國居民最主要的飲用水來源。隨著經濟與工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的江河湖泊成為工廠污水排放的下水道；而在農業(yè)生產中，大量使用的農藥與化肥也使水體嚴重富營養(yǎng)化。這些因素使水源中充斥了大量的有機小分子污染物，導致各地飲用水水源污染形勢逐漸惡化，嚴重威脅到中國人的飲水安全與身體健康。
[0003]目前，我國的常規(guī)自來水處理工藝是以混凝、沉淀、過濾、消毒為主體，該方法以去除水源水中的懸浮物、膠體和病原菌等為目的，但對水源水中有機物的去除效果較差。因此，如何降低水中的有機小分子污染物成為自來水處理中待解決的新課題。
[0004]與常規(guī)凈水技術相比，以超濾為代表的膜分離技術能去除水中有機污染物。利用膜的選擇性分離實現不同組分的分離、純化、濃縮。膜分離方法能縮短工藝流程，設備占地遠小于同等處理能力的傳統(tǒng)工藝單元。膜分離技術被認為是未來飲用水凈化領域內的一大發(fā)展方向。超濾膜可以在分子范圍內對組分進行分離，并且該過程是一種物理過程，不發(fā)生相變，無需添加助劑。超濾膜對水中的某些有機小分子污染物有較高的去除率，但操作壓力高，通量較低。因此，需要將其與其它方法聯(lián)用以克服上述問題。
[0005]通過在超濾膜上直接耦合吸附纖維，將超濾膜的過濾篩分作用和纖維的吸附作用同時整合入膜組件內部。通過協(xié)調這兩個作用，可以實現對飲用水中不同極性與分子量的有機污染物的全面去除。
[0006]為了實現對不同極性有機分子的同時吸附，需要了解各種有機小分子污染物與多種吸附纖維的結合能力，為吸附纖維的選取提供基礎。如果在實驗層面上對超濾膜逐一接枝不同的纖維，并對不同極性的有機小分子測試吸附性能，不僅費時費力，而且，其中任何一步出現問題，都無法使評價工作完成。因此，發(fā)展一種理論預測方法，直接在微觀層面分析水中有機小分子污染物與超濾膜表面吸附纖維的結合能力，能有效降低設計費用，顯著提高設計效率，并為吸附纖維的優(yōu)化與改進提供理論依據與指導。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對上述存在的問題，提供一種理論預測超濾膜與小分子污染物結合強度的方法，以使評估超濾膜的工作效率。
[0008]為實現本發(fā)明所提供的技術方案包括以下步驟:
[0009]I)選取兩種小分子分別作為水中污染物以及超濾膜表面的吸附單元，通過ChemDraw 和 VMD 建模。
[0010]2)采用分子動力學模擬軟件NAMD模擬體系在溶劑中的運動。在該程序中使用CHARMM立場描述體系中各個分子之間的相互作用。應用周期性邊界條件。使用Langevin動力學和Langevin活塞壓力控制，將溫度和壓強保持在298K和lbar。使用Verlet r-RESPA算法對運動方程進行積分。采用SHAKE算法對所有包含氫原子的共價鍵進行限制。對于非鍵相互作用采用應用截斷，靜電相互作用采用PME方法處理。
[0011]3)選取反應坐標,采用Adaptive biasing force method方法計算兩個小分子結合時的自由能變化。
[0012]4)通過以下公式計算出兩個小分子的結合自由能常數。
【權利要求】
1.一種快速評價超濾膜表面吸附單元與小分子污染物結合強度的方法，其特征在于:應用理論方法計算水中污染物小分子與超濾膜表面吸附單元間的結合常數。
2.根據權利要求1所述的評價結合強度的方法，其特征在于:使用分子動力學模擬結合自由能計算方法預測結合常數，且該結果應用于水處理領域。
【文檔編號】G01N33/00GK103558348SQ201310589576
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權日:2013年11月18日
【發(fā)明者】卞?；? 代昭, 魏俊富 申請人:天津工業(yè)大學