[发明专利]一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法

说明书

一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法。本发明利用计算机模拟软件建模，建立甲烷水合物晶胞，在高温下熔化水合物晶胞得到气液混合相，然后将甲烷水合物晶胞和气液混合相叠加获得初始构型；设置模拟参数，通过能量最小化、预平衡模拟得到稳定构型，施加不同强度、频率的电场进行分子模拟；经分子动力学计算后获得分子轨迹坐标信息，并对分子轨迹坐标进行图像分析和计算分析。上述方法从分子角度上实时观测研究施加不同强度、频率的外加电场对甲烷水合物生成分解的影响，为在实际中电场应用于水合物各领域提供理论上的指导；新技术利用外加电场控制水合物生成分解能够减少会给环境造成污染的水合物化学促进剂和抑制剂的使用。

技术领域

本发明属于气体水合物生成分解领域，具体涉及一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法。

背景技术

气体水合物是一种类冰状晶体，是一种小客体分子(CH₄、CO₂、N₂等)占据由水分子间以氢键构成的笼穴而形成的特殊包络化合物。水合物广泛应用在温室气体捕获、混合气体分离、储气等领域。此外，天然气水合物(主要是甲烷水合物)由于其分布广、能量密度高以及绿色清洁等诸多的优点，已被公认为极具潜力的新能源，是能源资源领域的研究热点之一。为了在不同应用领域中更好地发挥水合物不同优势，涉及关于水合物生成分解方面的基本特性研究就显得更为重要。

目前宏观实验上，一般地添加表面活性剂如十二烷基硫酸钠促进甲烷水合物生成,热力学抑制剂(如甲醇)、动力学抑制剂(如PVCap)用来抑制水合物的生成，但是这些化学添加剂的使用会给环境带来不可逆的污染；对于水合物开采一般采用降压或注热的方法，但是降压注热操作成本昂贵，开采效率低。针对以上问题，并为了响应保护环境和可持续发展理念，在控制水合物生成分解方面，引入无化学添加剂技术将成为一种趋势，如电场。水分子本身就是一种极性分子，外加电场的存在一定程度上能够影响水分子运动行为。目前宏观实验上关于电场对水合物生成分解影响方面鲜有报道，对于电场是否影响水合物生成分解的问题也没有统一的解释。为了进一步探究电场对水合物生成分解的影响，本发明提出从分子层面上观测分析外加电场存在下水合物生成分解的行为，节约实验成本。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，计算分子量较大的体系，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，本发明提出一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，所述方法从微观角度上实时观测外加电场存在下体系分子运动轨迹，探究不同强度、不同频率的电场对甲烷水合物生成分解的影响，为实际中外加电场应用于水合物生成分解领域提供理论上的指导。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)采用Materials Studio建立甲烷水合物晶胞，将得到的甲烷水合物结构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，并对甲烷水合物的晶胞进行2×2×2扩胞；

(3)采用GROMACS软件，设置模拟参数，在NPT系综下将一2×2×2甲烷水合物晶胞熔化成气液混合相，将甲烷水合物晶胞结构与气液混合相模型按照气液相-水合物相-气液相的顺序进行叠加，得到观测甲烷水合物生成分解的初始构型；

(4)采用GROMACS软件，带入步骤(3)得到的初始构型信息，设置模拟参数，依次能量最小化、位置限制性预平衡模拟后得到稳定构型；

(5)采用GROMACS软件，带入步骤(4)得到的稳定构型信息，沿着体系Z轴施加外加电场，设置模拟参数，进行分子动力学计算，得到分子轨迹坐标信息；