[发明专利]改性生物吸附剂构效关系模型构建方法及应用

说明书

技术领域

本发明是将低秩建模理论应用于改性生物吸附剂构效关系模型构建，并应用于改性麦糟吸附中低浓度三价砷离子As(III)构效关系模型构建，涉及一种改性生物材料吸附重金属离子构效关系模型构建的新方法及应用。

背景技术

随着现代工业的快速发展，含有重金属离子的废水的排放量急剧增加，致使地表水和地下水污染严重。传统的含重金属(废)水处理方法已经不能够兼顾经济效益和实际效果，所以近年来研究者将研究目光转向了生物材料在含重金属(废)水处理上的应用，因为它们与金属离子具有天然的亲和力，既可利用它们自身含有的官能团，也可通过改性方法引入有利于吸附的官能团，去吸附重金属离子，达到废水净化之目的。

改性生物材料吸附重金属离子构效关系是一个结构复杂、变量众多、有着时、空、量、序变化的非线性动态系统。其吸附机理非常繁杂，维数高，至今对于其吸附重金属离子还没有清晰和完整的理论体系。由于表征生物材料分子结构的描述符筛选是定量构效关系(Quantitative Structure Activity Relationship，QSAR)研究的主要技术瓶颈。传统的逐步回归法等特征选择方法由于描述数据信息的能力有限，且随着数据类别数、样本数及维度的增加，数据空间变得愈加复杂，其方法的泛化能力不断下降。因此，研究从众多因素中寻找出改性生物材料中含有的和可能引入的各基团与不同重金属离子形成配合物的稳定构型，以及最适条件等，构建具有稳定性、高效性的改性生物材料吸附重金属离子构效关系模型，已经成为含重金属(废)水处理领域研究热点。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种改性生物吸附剂构效关系模型构建方法及应用，它是基于低秩建模理论的改性生物吸附剂构效关系模型构建方法，并应用于改性麦糟吸附中低浓度三价砷离子As(III)构效关系模型的构建。本发明选用生物吸附法作为含重金属(废)水处理方法，选择廉价易得且富含木质纤维素类生物材料为研究对象，采用低秩建模和支持向量机技术，建立改性生物吸附剂构效关系模型。

本发明的技术方案：一种改性生物吸附剂构效关系模型构建方法，包括以下步骤：

步骤1：选择廉价易得且富含木质纤维素类生物材料；

步骤2：通过系列物化改性方法，测定改性生物材料吸附重金属离子的能力，以(废)水中重金属离子去除率作为指标；

步骤3：获取相关试验数据后，进行试验数据预处理；

步骤4：选择建模所需且能全面表征生物材料分子结构的描述符类型，并运用相关的软件程序计算其分子描述符，构建生物材料分子描述符集；

步骤5：基于低秩建模方法进行分子描述符筛选；具体为：

(1)低秩表示

考虑低秩表示模型

其中X为经计算后的生物材料分子描述符集，Z为低秩系数矩阵，用来描述各个分子描述符之间的相似度，对模型(1)采用交替方向乘子方法进行求解可以得到Z，从而可以得到关联矩阵其中Z^T为Z的转置；

(2)低秩准则

假定x_ri表示第i个分子描述符(i＝1,2,…,n)的第r个特征(r＝1,2,…,d)，定义Var(x_r)为分子描述符集X第r个特征的估计方差，则定义第r个特征的低秩准则如下：

LRS_r包含了第r个特征的全局信息和局部信息，Var(x_r)越大，特征方差越大，特征所含信息量越大，(x_ri-x_rj)²Λ_ij越小，根据低秩准则选择的特征对数据集的局部拓扑结构和判别结构的表现能力越强，由此，低秩准则的目标是寻找LRS_r偏小的特征；根据LRS_r值按照升序排列所有特征，选择若干个LRS_r值较小的特征构成筛选后的分子描述符子集；

步骤6：基于支持向量回归机(SVR)构建改性条件、筛选后分子描述符与(废)水中重金属离子去除率指标之间的构效关系模型，并进行相关参数优化。

本发明详细的流程及步骤：