[发明专利]一种快速评价超滤膜与有机小分子污染物结合强度的方法

说明书

技术领域

本发明属于水处理领域中的理论预测技术，涉及评价超滤膜工组效率的问题。

背景技术

自来水是我国居民最主要的饮用水来源。随着经济与工业的快速发展，越来越多的江河湖泊成为工厂污水排放的下水道；而在农业生产中，大量使用的农药与化肥也使水体严重富营养化。这些因素使水源中充斥了大量的有机小分子污染物，导致各地饮用水水源污染形势逐渐恶化，严重威胁到中国人的饮水安全与身体健康。

目前，我国的常规自来水处理工艺是以混凝、沉淀、过滤、消毒为主体，该方法以去除水源水中的悬浮物、胶体和病原菌等为目的，但对水源水中有机物的去除效果较差。因此，如何降低水中的有机小分子污染物成为自来水处理中待解决的新课题。

与常规净水技术相比，以超滤为代表的膜分离技术能去除水中有机污染物。利用膜的选择性分离实现不同组分的分离、纯化、浓缩。膜分离方法能缩短工艺流程，设备占地远小于同等处理能力的传统工艺单元。膜分离技术被认为是未来饮用水净化领域内的一大发展方向。超滤膜可以在分子范围内对组分进行分离，并且该过程是一种物理过程，不发生相变，无需添加助剂。超滤膜对水中的某些有机小分子污染物有较高的去除率，但操作压力高，通量较低。因此，需要将其与其它方法联用以克服上述问题。

通过在超滤膜上直接耦合吸附纤维，将超滤膜的过滤筛分作用和纤维的吸附作用同时整合入膜组件内部。通过协调这两个作用，可以实现对饮用水中不同极性与分子量的有机污染物的全面去除。

为了实现对不同极性有机分子的同时吸附，需要了解各种有机小分子污染物与多种吸附纤维的结合能力，为吸附纤维的选取提供基础。如果在实验层面上对超滤膜逐一接枝不同的纤维，并对不同极性的有机小分子测试吸附性能，不仅费时费力，而且，其中任何一步出现问题，都无法使评价工作完成。因此，发展一种理论预测方法，直接在微观层面分析水中有机小分子污染物与超滤膜表面吸附纤维的结合能力，能有效降低设计费用，显著提高设计效率，并为吸附纤维的优化与改进提供理论依据与指导。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种理论预测超滤膜与小分子污染物结合强度的方法，以使评估超滤膜的工作效率。

为实现本发明所提供的技术方案包括以下步骤：

1)选取两种小分子分别作为水中污染物以及超滤膜表面的吸附单元，通过ChemDraw和VMD建模。

2)采用分子动力学模拟软件NAMD模拟体系在溶剂中的运动。在该程序中使用CHARMM立场描述体系中各个分子之间的相互作用。应用周期性边界条件。使用Langevin动力学和Langevin活塞压力控制，将温度和压强保持在298K和1bar。使用Verlet r-RESPA算法对运动方程进行积分。采用SHAKE算法对所有包含氢原子的共价键进行限制。对于非键相互作用采用应用截断，静电相互作用采用PME方法处理。

3)选取反应坐标，采用Adaptive biasing force method方法计算两个小分子结合时的自由能变化。

4)通过以下公式计算出两个小分子的结合自由能常数。

ΔGbrnding=-RTln∫πNArare2exp[-ΔG(ξ)/RT]dξ]]>

本发明中采用的理论模拟方法可以预测小分子污染物与超滤膜表面吸附单元的结合常数，无需对实际样品进行处理，是一种绿色安全的预测方法。利用已有的模拟软件，可直接进行预测，并可根据计算结果对超滤膜中吸附单元优化及改进。因此，本发明提供一种快速的材料功能评估方法。

附图说明

图1为双酚A(BPA)与超滤膜表面的两种吸附功能单体丙烯酸十八酯(ODA)和丙烯酸羟乙酯(HEA)结合的自由能曲线图。