[发明专利]一种模拟TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的方法

说明书

本发明提供了一种模拟TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的方法。所述方法采用计算机模拟软件建立TBPB半笼形水合物晶胞及混合气体模型，叠加后得到TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的初始构型；设置模拟参数，依次通过能量最小化、位置限制性预平衡模拟得到稳定构型，经分子动力学计算后获得分子轨迹坐标信息，对其进行图像分析和计算分析。所述方法从分子角度上实时定量的观测气体分子进入TBPB半笼形水合物的过程，能够较好的分离和富集混合气体中单一组分。

技术领域

本发明属于气体分离技术领域，具体涉及一种模拟TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的方法。

背景技术

近年来，工业生产中愈发重视环境保护和可持续发展的概念，能源分级处理与废物回收再利用工艺受到了研究学者的广泛关注。传统的气体分离方式有化学吸收、深冷分离、变压吸附与膜分离等，但这些方法存在高能耗、高腐蚀性、选择性和通量不高等缺陷。与此相比，新兴的水合物分离技术显然更有发展潜力，该技术利用的原理为：不同气体组分生成水合物的压力相差很大，控制压力使易生成水合物的组分从气态进入固态，因此通过水合物形成可以分离某些混合气体组分。其操作温度可在0℃以上进行，水合物分解后的纯水可循环利用，整个过程理论上没有原料损失，极大的降低了混合气体分离过程中的能耗和分离成本。然而，当前的水合物分离技术存在动力学不足，储气量相对较低等问题，这严重影响了水合物分离技术应用的工业化进程。

为了解决这些问题，本发明提出水合物分离混合气体的另一种方法，即将已形成的水合物晶体作为分离膜来分离混合气体，其根据气体组分的尺寸不同，可以有效起到分子筛的功能。TBPB可以在常温常压下形成半笼形水合物，在TBPB半笼形水合物中，阳离子TBP⁺占据由两个十四面体(5¹²6²)和两个十五面体(5¹²6³)组成的大空穴中，阴离子Br-与水分子构成水合物的笼型结构，小空穴由十二面体(5¹²)组成，能够容纳气体小分子(CH₄，N₂，H₂等)。半笼型水合物的主体晶格不是完全由水分子构成，而是由水分子和添加剂阴离子共同形成，这种结构使得客体分子与主体晶格范德华力和氢键的双重作用，因此半笼型水合物的热力学稳定性更好。这使得它可以作为分离膜进行有效的分离和储存气体。为了进一步分析TBPB半笼形水合物的晶体结构，研究其中十二面体空笼对于不同气体组分捕获能力的差异，需要从分子层面进行解释。分子动力学模拟利用牛顿运动定律，从微观角度研究物质作用过程，其优点是可以实时输出分子的动力学信息，并计算分子量较大的体系，并广泛应用于各种水合物的模拟计算中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种模拟四丁基溴化磷(TBPB)半笼形水合物膜分离混合气体的方法，所述方法从微观分子角度上实时定量的记录气体分子的运动轨迹，探究半笼形水合物中十二面体空笼对于不同气体组分的捕获能力的差异，对最终分离结果进行计算分析，为利用TBPB半笼形水合物膜可控分离混合气体提供方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种模拟TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用Materials Studio建立TBPB半笼形水合物的晶胞及气体分子模型，将得到的TBPB半笼形水合物结构和气体分子的坐标信息转换为分子模拟软件所需的输入坐标文件；

(2)采用GROMACS软件，带入步骤(1)得到的坐标文件，对TBPB半笼形水合物的晶胞进行2×2×2扩胞，并按照比例扩充气体分子数量，构建混合气体模型，添加水分子，将TBPB半笼形水合物结构与混合气体模型按照气液-水合物-气液的顺序进行叠加，得到TBPB半笼形水合物膜分离混合气体的初始构型信息；

(3)采用GROMACS软件，带入步骤(2)得到的初始构型信息，设置模拟参数，依次通过能量最小化、位置限制性预平衡模拟的方法得到稳定构型信息；