[发明专利]一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法

说明书

本发明公开了一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，该方法主要特点在于：借助ReaxFF反应力场和仿真计算软件构建木质素‑脱木质素溶剂模型。通过观察模拟轨迹资料，能直观地展示出反应路径，研究其反应机理。根据反应后的碎片数量和结构判断脱木质素溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。该方法克服了传统脱木质素溶剂只能通过实验进行评价，部分技术污染程度高，技术要求高、耗时长，实验条件难以掌控等缺点。可为脱木质素溶剂的选择提供依据和基础，同时可为开发新型脱木质素溶剂提供科学依据，因此具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，特别是一种采用反应分子动力学方法定量评价脱除效果的技术，属于生物质脱木质素领域。

背景技术

随着化石燃料的不断开采和消耗，以及随之而来环境问题，目前迫切需要一种绿色、可再生的能源。木质纤维素生物质是一种来源甚广、产量巨大且可再生的生物能源，是一种具有应用潜力的传统能源替代品。木质纤维素生物质中的木质素是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，其基本单元为苯丙基，通过一系列的醚键和碳碳键形成复杂、无序的大分子聚合物。由于其特殊的功能特性，具有广泛的潜在应用，例如合成酚醛树脂、生产医药产品和粘合剂等。但木质素生物质具有结构复杂，稳定性高等特点，使得木质素的脱除较为困难。在高产和结构变化最小的情况下有效脱除木质素被认为是实现其高价值利用的重大条件。

目前，从木质纤维素脱除木质素都是以实验方法为基础，碱法或有机溶剂等传统的脱除方法会产生大量的废水，并且传统处理方法对木质素结构破坏程度高，不利于后续的处理。离子液体和低共熔溶剂等处理法作为新型的处理方法，环境友好、无污染，但存在操作难度大、费时费力且昂贵等缺点。

针对以上问题，本发明采用反应分子动力学方法脱除木质纤维素中的木质素，该提纯方法重点在于提取溶剂的筛选。反应分子动力学方法能够从微观建立木质素与溶剂之间的模型，探究其反应机理，研究微观结构和宏观现象之间的关系。该方法采用基于第一性原理的ReaxFF反应力场，能够在较短的计算时间内模拟含有上万个原子的体系,从原子和分子尺度提供详细和准确的信息。

发明内容

为了克服脱除木质素的实验方法带来的费时费力且昂贵等诸多不足，本发明提供一种基于反应分子动力学进行脱木质素溶剂的筛选，探究在该溶剂下的反应机理。该方法不仅能简便、省时的筛选脱木质素溶剂，还能研究不同溶剂脱木质素的反应机理，同时不受体系复杂的限制，可为开发新型脱木质素溶剂提供科学依据。

为达到上述目的，一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，包括以下步骤：

步骤1、挑选适合从木质纤维素中脱除木质素的溶剂；

步骤2、在仿真软件中单独建立所有分子模型，包括木质素和步骤1中的溶剂；

步骤3、将步骤2建立的分子模型进行能量和结构优化；

步骤4、在仿真软件中建立大小适中的盒子，将木质素分子和溶剂分子按照一定比例放入盒子中，建立具有边界周期性条件的木质素-溶剂体系模型，并对盒子进行退火和弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型；

步骤5、在分子动力学仿真软件中对步骤4建立的盒子设置合适的反应力场和参数，得到模拟结果；

步骤6、通过对步骤5得到的模拟结果进行分析，通过观察分子运动轨迹确定反应路径，根据反应后的碎片数量和结构判断溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。

进一步的，步骤1中的溶剂是指一种或两种及以上混合的有机溶剂、离子液体和低共熔溶剂。

进一步的，步骤2具体过程为：在仿真软件Material Studio或Gaussian View中分别构建所有单体的结构模型，如离子液体中的阴阳离子单体与低共熔溶剂中的氢键供受体单体等。