论文总字数：20325字

摘 要

针对于工业生产中出现的碳酸氢钠晶体成形颗粒小，易结块等问题，本论文尝试使用Materials Studio软件，对碳酸氢钠晶体进行分子动力学模拟，模拟晶体结晶过程，探究其成形机理。

本文主要利用晶面结合能与晶面生长的关系，来分析碳酸氢钠晶体成形的原因，阐述碳酸氢钠晶体成形的相关机理。通过分子动力学模拟，成功模拟了碳酸氢钠晶体的成形过程。我们发现，碳酸氢钠晶体的(0 1 1)晶面、(0 2 0)晶面和(0 0 2)晶面为主要晶面，但三者的晶面结合能较低，因此，晶面生长缓慢，因而导致了碳酸氢钠晶体结晶颗粒小的问题。

本文所模拟溶液中碳酸氢钠晶体的成形过程，对于探究其他添加剂对碳酸氢钠晶体结晶的影响，具有重要参考意义。

关键词:碳酸氢钠； 分子动力学； 结合能

Simulation of Sodium bicarbonate crystal morphology

Abstract

In view of the problems of small particles and easy agglomeration of Sodium Bicarbonate crystals in industrial production. In this paper, Materials Studio is used to simulate the crystallization process of Sodium bicarbonate crystals, and to explore the forming mechanism. All of these are based on Molecular Dynamics.

In this paper, we have analyzed the cause of crystal formation by using the relationship between the crystal growth and the attachment energy,the forming process of Sodium Bicarbonate crystal was successfully simulated by Molecular Dynamics simulation. We found that the Sodium Bicarbonate faces(011),(020)and (002)are the main faces,however their attachment energy are too low,so the crystal faces grow slowly. As a result,the crystals of Sodium bicarbonate are really small.

The process of simulating Sodium bicarbonate crystalization in solution has an important reference significance for exploring the effect of other additives on Sodium bicarbonate crystal.

Key words: Sodium Bicarbonate; Molecular Dynamics; attachment energy

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题背景和研究意义 1

1.2分子动力学模拟简介 1

1.3分子动力学模拟的研究进展 2

1.4添加剂对晶体生成的影响的研究进展 2

1.4.1对碳酸钙晶体生成的影响 2

1.4.2对碳酸氢钠晶体生成的影响 3

1.4.3对其他晶体生成的影响 4

1.5本章小结 4

第二章 分子动力学模拟 5

2.1纯碳酸氢钠晶体形貌模拟 5

2.1.1碳酸氢钠晶体的模型搭建 5

2.1.2晶体形貌优化 6

2.1.3基于BFDH方法的晶体形貌模拟 8

2.1.4基于Growth morphology方法的晶体形貌模拟 10

2.2碳酸氢钠水溶液的分子动力学模拟 14

2.2.1晶体层搭建及优化 14

2.2.2溶剂层搭建及优化 15

2.2.3模拟盒子搭建及优化 17

2.2.4 分子动力学模拟计算 19

2.2.5模拟数据分析及处理 20

第三章 结论和展望 23

3.1结论 23

3.2展望 23

参考文献 24

致谢 26

第一章 绪论

1.1选题背景和研究意义

众所周知，碳酸氢钠又称小苏打，作为常见无机化工产品，在我们日常生活中也经常使用。我们通过实地考察淮安碱厂得知，虽然目前碳酸氢钠的生产工艺相对成熟，但生产所得到的产品存在着结晶粒度小且分布不均匀、结块严重等问题。一般情况下，普通工厂生产出来的碳酸氢钠产品多数呈细棒状，但是这种细棒状的结构会导致产品含水量增加，从而使各个分离提纯工序中的耗能增加，也相应地会增加成本，并且产品容易结块，不能满足部分市场的需要。

由于生产碳酸氢钠的生产工艺流程在设计投产后就已经确定，所以，无法通过降低搅拌速度和减慢降温速度的方式改善这一状况。众所周知，在介稳区内有利于晶体成型，生长成为大颗粒晶体。在饱和度曲线和过饱和度曲线内，不会析出新的晶核，但会在已经生成的结晶上继续生长。我们要尽量让晶体处于介稳区内长大，使晶体在介稳区内停留时间更长，从而得到大颗粒的晶体。为了达到抑制成核，促进晶体生长的目标，人们添加了杂质到生产工艺中，这个杂质就是聚电解质。聚电解质是一种具有可电离基团的聚合物，可用于改变晶体形状或延迟晶体生长速率。此次研究做了一系列向反应体系中加入不同聚电解质的探究，经过对添加剂的用量和实验条件的摸索，最后得出的结果是加入HPMA（水解聚马来酸酐）对获得大颗粒碳酸氢钠具有较显著的效果。虽然通过实验中加入HPMA确实获得了大颗粒的碳酸氢钠，但是，HPMA使碳酸氢钠晶体长大的机理尚不清楚，所以，本次论文尝试运用分子动力学模拟的方法，以碳酸氢钠为研究对象，以水分子为添加剂，模拟水溶液中碳酸氢钠晶体的成型机理。

1.2分子动力学模拟简介

计算机模拟已经广泛应用于预测各种条件下的系统中晶体的形态的研究当中^[1]。分子动力学模拟,Molecular Dynamics(MD)，是在原子、分子水平上求解多体问题的重要的计算机模拟方法，通过求解所有粒子的运动方程，分子动力学方法可以用于模拟与原子运动路径相关的基本过程，预测纳米尺度上的材料的动力学特性。本次毕业论文，将水分子添加到在碳酸氢钠不同晶面上，通过模拟计算得到不同晶面的结合能，通过比较结合能来探究碳酸氢钠晶体的特性，以此来研究水溶液中碳酸氢钠晶体成形的机理。 

1.3分子动力学模拟的研究进展

分子动力学模拟是现如今形态预测的有用工具之一。在Joachim^[2]的研究中，便运用了分子动力学模拟的方法预测从溶液中生长的晶体的形态。Joachim使用计算机模拟，用Materials Studio 4.0商业软件建立了一个由溶液到晶体表面、由液相到固相的分层体系，以结晶苯甲酸在水溶液中的分子动力学模拟数据为例进行了研究。Materials Studio软件是本次论文研究所使用的模拟软件之一。

类似的，张缨^[3]则以谷氨酸为例，探究了有机物溶液再结晶过程中的形态学。张建立了溶剂层和晶体层界面层模型，运用分子动力学模拟，在不同操作条件下，探究晶体的形态，并用晶格能判断晶体的相对稳定性。

1.4添加剂对晶体生成的影响的研究进展

添加剂的加入对晶体形态的生成有很大的影响，也正因此，当代关于晶体生长的研究大多集中在探究添加剂对晶体生长的影响上，这一课题也成为现如今晶体形态学研究课题中的热点。

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