[发明专利]一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法

说明书

本发明公开了一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，包括使用Materials studio（MS）软件AC模块构建不同晶胞模型，通过Forcite模块对构建的晶胞模型进行几何优化、退火和分子动力学弛豫，涉及电场运算采用script进行计算。采用Forcite分析功能获取体系内分子间相互作用能、表面活性剂头基水分子个数、水分子扩散系数。本发明从分子角度阐明了荷电活化水雾降尘性能，揭示了不同体系分子间微观作用机理，从分子角度评价不同荷电活化水雾雾化降尘效果，为活性剂优选和最佳荷电参数获取提供参考，避免了传统实验周期长、成本高的缺点。

技术领域

本发明属于粉尘防治技术领域，特别是涉及一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法。

背景技术

随着煤炭开采领域机械化程度不断提高，煤矿井下粉尘浓度呈上升趋势，降低了井下作业空间的能见度，增加了事故发生概率和一线工人患病概率。

目前，井下主要采用纯水喷雾进行降尘，由于纯水自身的表面张力和内聚力较高，不易破碎，与煤尘的相互作用较低，水雾荷电技术和活化水降尘技术成为了一种重要手段。但两者都存在一定的不足。在纯水中加入活化剂，使其变成活化水，活化剂量越多，成本越高，若活化剂降解效率低，将造成二次污染。对于荷电水雾技术，当水雾捕捉粉尘落入地面后，静电将会消失，造成二次扬尘问题。基于此，提出了一种荷电活化水雾降尘技术，对于不同活化水与荷电水雾协同作用尚不明确。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，从分子角度测试了荷电活化水雾的雾化性能和降尘效果，揭示了荷电活化水雾雾化机理和降尘机理。通过分子间相互作用能可以确定荷电活化水与煤分子之间的相互作用能，通过活化水中表面活性剂亲水基附近水分子数量可以确定荷电活化水的保水性能，通过水分子的扩散系数可以确定荷电活化水的起泡性，从而确定最优的荷电活化水雾化降尘参数，避免传统实验周期长、成本高的缺点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种评价荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学方法，包括：

构建煤分子、自来水中水分子和不同离子、不同化学添加剂分子结构，并进行结构优化，作为构建多分子模型的基本单元；

基于多分子模型的基本单元，构建活化水、煤分子、表面活性剂无定形晶胞模型，根据需要，将晶胞形状设置为球形或方形；对搭建的晶胞模型进行几何优化和动力学弛豫，系综选择NPT，对其进行退火处理；对活化水进行荷电处理，获得荷电活化水；

基于多分子晶胞模型，构建不同荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型，对荷电活化水/煤和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行几何优化，荷电活化水/煤模型进行动力学弛豫，系综选择NVT，对于表面活性剂/活化水/表面活性剂模型进行动力学弛豫；

获取荷电活化水/煤模型分子间相互用能和荷电活化水分子间氢键数量，获取活化水中表面活性剂头基附近水分子个数和表面活性剂/活化水/表面活性剂模型水分子扩散系数，通过计算比较，以进行荷电活化水雾雾化降尘性能的分子动力学评价。

其中，煤分子结构通过X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶变化红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)或核磁共振碳谱(¹³C NMR)进行获取；煤分子、水、不同化学添加剂结构优化采用Doml³模块，任务选择Geometry Optimization，密度泛函方法为GGA，泛函形式为PW91，精度设置为Fine。

其中，采用Materials studio软件中Amorphous Cell模块搭建活化水、煤分子和表面活性剂无定形晶胞，任务选择Construction，精度设置为Fine，密度根据搭建的晶胞进行设置，活化水中不同化学物质分子个数根据不同需求进行设置，力场选择CompassⅡ，电荷选择Forcefield assigned，静电非键求和方法选择Ewald，范德华非键求和方法选择Ewald。