本发明涉及水处理以及分子模拟领域，特别涉及一种探究污染物在改性蒙脱石上吸附性能的预测方法。
背景技术：
近年来，城市生活污水和工农业废水的不合理排放，水体中出现了残留的药物和个人防护品，其中以有机污染物检出频率最高。有机污染物在水中的残留，对地表水环境质量有重大影响，进而威胁到人类的健康以及环境的安全。这与人们对高质量水质的需求越来越冲突。有机污染物在水中难以降解，处理起来难度较大，经过物理化学、生物法等一系列传统的水处理后，有时仍需要吸附法等技术进行深度处理。蒙脱石是自然界中广泛存在的一种2：1型硅酸盐矿物，拥有储量丰富、价廉易得、性能优越以及大比表面积、离子交换性、膨胀性、吸附性和较稳定的化学性质等出众的优点，被广泛地运用于吸附法中。但在吸附法的运用中，为了保证吸附的平衡，通常需要耗费研究人员几小时甚至几天的时间。并且使用蒙脱石吸附有机污染物的同时，需要采用一些活性剂对蒙脱石进行改性，以达到更好的吸附效果，而制备有机改性蒙脱石研究其特性的尝试会耗费研究人员大量的时间和精力。
分子模拟技术的发展，使得研究和预测某些材料的性质已成为可能。其中分子动力学主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，在力场的作用下，分子的运动轨迹服从牛顿运动方程，因此可以得到任一原子任意时刻的速度和位置，进而得到体系在一定时间内的运动情况，再通过统计力学方法得到体系的相关物理量。针对蒙脱石开展的模拟工作，大多是在无水环境所进行，这是因为水分子的加入会对各组分都造成影响。但在实际水处理应用中，水分子的存在会对蒙脱石的底面间距有一定的作用，并对各组分造成影响，对吸附结果造成一定的影响。本专利将水分子纳入考虑范围中，使模拟过程更符合实际情况，以达到模拟与实际更为相符的效果。
利用吸附法处理水中残留的苯酚，优点为价格低廉且吸附效果突出，减少水中苯酚的残留，避免人类健康收到侵害。使用吸附法处理污染水的关键是吸附剂的确定，本发明所提出的利用分子动力学模拟预测吸附剂性能的方法可以快速、大致判断出吸附剂的吸附效果。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于分子动力学模拟的改性蒙脱石吸附性能预测方法。其中步骤1样品采集包括以下步骤：
一种基于分子动力学模拟的改性蒙脱石吸附性能的预测方法，主要包括三个步骤：构建模型、进行分子动力学模拟、分析模拟结果。
步骤1(a)：根据水处理时使用的蒙脱石类型，构建了蒙脱石结构模型，晶体化学式为na0.75al3.25mg0.75si8o20(oh)4·nh2o，蒙脱石模型的构建遵循loewenstein规则，即任何两个原子取代位点不相邻，建立4×4×2的蒙脱石超晶胞，片层中所带的八面体电荷数为24，即将已建立的蒙脱石模型中的铝原子按一定比例随机置换成镁原子。再根据蒙脱石改性时常用的三种季铵盐：十六烷基三甲基铵离子、十烷基三甲基铵离子、四甲基铵离子分别建立模型。在本发明中，因我们将四环素作为污染物对象，故也针对四环素建立一个污染物模型。
步骤1(b)：构建有机蒙脱石液相体系，利用结构构建程序packmol将三种改性剂的模型：十六烷基三甲基铵离子、十二烷基三甲基铵离子、四甲基铵离子分别以不同层间金属阳离子的交换量置入蒙脱石模型的层间，构建三种不同改性剂改性的有机蒙脱石模型。同时根据实验中水环境下改性蒙脱石的底面间距进行估算，然后再次根据packmol程序放入适量的水分子，借此构造与实验数值贴近的水饱和体系。
步骤1(c)对于水饱和体系下的有机蒙脱石，精确获取层间水分子含量比较困难。因此在本发明中根据实验测得的水分子体积粗略估算出水分子数量，再进行微调以使其d001值与实验相吻合。计算方法如下式：
其中nwater是水分子的数量。vwater是根据实验d001值和ctma体积估算的层间域内水分子所占体积，ρwater是层间域内水的密度。
步骤2(a)：基于步骤1中得到的有机蒙脱石液相体系并进行几何优化，分子动力学模拟过程采用经典的born能量模型，在此能量模型中，原子之间的相互作用包含了长程的库伦作用和短程的范德华作用，其中长程作用项采用ewald计算方法，而短程作用项采用经典分子力场。由步骤1中得到的蒙脱石体系，其中蒙脱石分子力场采用clayff力场，改性剂与污染物采用opls-aa力场，水分子采用单点电荷spc/e力场，并对其进行几何优化，找到局部最优构象，几何优化具体为首先采用最速下降法，当体系的能量下降到10kcal/mol时，其优化方法由最速下降法转变为共轭梯度法或牛顿法进行更精确的优化，直至体系的能量收敛至1*10-5kcal/mol。
步骤2(b)：分子动力学运算软件采用gromacs软件包。模拟过程中首先将由步骤2(a)得到的最优构象有机蒙脱石层外加入目标污染物，四个四环素分子，建立有机蒙脱石－吸附质液相体系。
步骤2(c)：对有步骤2(b)中得到的蒙脱石－吸附质液相体系进行动力学计算，在300k下先采用npt系综模拟3.0ns，使体系达到平衡。随后，再采用nvt系综模拟1.5ns统计层间域密度分布、径向分布函数和自扩散系数等结构和动力学信息。对步骤2(b)中的全局最优构象进行动力学模拟时，温度控制采用nose热浴法、压力控制采用berendsen恒压法，范德华作用力设定为atom-based截断法，静电相互作用力设定为ewald法，截断距离为
步骤3(a)：分子模拟结果可以直观得到研究体系原子尺度的微观结构，由吸附污染物后的快照，可以直接观察到不同改性剂改性后蒙脱石层间域吸附污染物的量，以及蒙脱石层间改性剂、污染物和水分子的空间分布。
步骤3(b)：分子模拟结果中的密度分布函数用于分析改性剂在蒙脱石层间的排列方式，径向分布函数用于判断特定结构的形成，分析层间域内各组分的水化结构特征、自扩散系数分析的结果可以反映反应物的偏移，分析各组分的动力学特征，几种分析方法都可以对改性蒙脱石对于水中污染物吸附过程的机理进行分析。
本发明的有益效果在于：研究了作为吸附材料的蒙脱石在不同改性剂的使用后得到的有机改性蒙脱石吸附有机污染物的性能，得到吸附质在层间的吸附位置，验证实验中有机蒙脱石吸附有机物的吸附机理，有助于有机改性蒙脱石的吸附性能，提高吸附效率，同时也为有机污染物吸附材料的设计研发和结构优化提高理论参考，缩短研发周期。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图；
图2为实施例1中模型示意图；其中，1-蒙脱石，2-改性剂，3-水分子，4-污染物；
具体实施方式
下面结合具体实例进行进一步描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。具体实施方式分为以下步骤:
步骤1：构建有机改性蒙脱石模型并进行几何优化，蒙脱石模型初始结构，晶胞参数为
步骤2：计算水分子量，通过根据实验d001值和ctma体积估算的层间域内水分子所占体积，计算出水分子数量。
步骤3：构建有机改性蒙脱石－四环素液相体系并进行几何优化，在有序蒙脱石的底面间距中通过packmol软件包，将由步骤2计算得到的水分子数以及由水分子数和真实污染物浓度计算得到的四环素分子数，以及一倍负载量下的改性剂分子数，即24个改性剂置入蒙脱石层间中，并对其进行几何优化，找到局部最优构象，依据不同改性剂的分组方式进行分组，变量如下:第一组改性剂分别为十六烷基三甲基铵离子、十烷基三甲基铵离子、四甲基铵离子。；
步骤4：有机改性蒙脱石－四环素液相体系先采用npt系综对步骤3中得到的局部最优构型进行3.0ns动力学模拟，设定温度为300k，压力为1atm，温度控制采用nose热浴法，压力控制采用brendsen恒压法，静电相互作用力设定为ewald法，短程范德华作用力采用lennard-jones的12-6方程，截断半径为
步骤5：再对有机改性蒙脱石－四环素液相体系采用nvt系综模拟统计层间域密度分布、径向分布函数和自扩散系数等结构和动力学信息。
步骤6：扩散系数分析，多次重复进行步骤5，利用matlab软件对完成步骤5后输出的分子动力学轨迹进行分析，计算平均均方位移(msd)，采用聚类分析方法得到扩散系数。
以上所以的计算中蒙脱石与钠离子采用clayff力场，十六烷基三甲基溴化铵离子、十烷基三甲基溴化铵离子、四甲基铵离子以及溴离子都是基于opls-aa力场，设定能量偏差为1*10-5kcal/mol，力的偏差为0.001