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论文笔记2024-A

2024-01-01 00:00:00

Paper Notes 2024

2024-1月~6月

Good phrases

  • excellent biodegradability 良好的生物降解性
  • Whether AFPs can play a dual role in anti-agglomeration and inhibition in pipeline transportation remains to be studied.
  • In this article, we employed MD simulation and selected wf-AFP to investigate its anti-aggregation effect through contact angle measurement and carry out detailed mechanism analysis.
  • As far as we know, this is the first time to investigate the anti-aggregation mechanism of AFPs on hydrates using the MD simulation.
  • To study the influences of wf-AFP on the surface wettability under various practical scenarios
  • Before the formal simulation;
  • A wide range of applications of gas hydrates in storing natural gas in the form of artificially created solid hydrates, known as solidified natural gas technology, gas separation processes, and seawater desalination technology, has attracted great interest in scientific and practical studies.
  • It is noteworthy to mention that the SNG technology focuses on the use of methane gas due to the availability of this gas.
  • In the following,在接下来的：表示在接下来的时间、事件或列举中。
  • In this regard,在这方面；在这一点上
  • The same goes true for the multi-salts systems 多盐体系也是如此
  • It is always probable that incorrect data creep into the reported database for several reasons such as errors in the devices or human error in recording.
  • As is obvious,
  • As was mentioned in section 3.4,
  • Most of the time,
  • With these applications in mind, 考虑到这些应用，
  • Density functional theory works best for atomic-level, static properties, while molecular dynamics lends itself to more dynamical, larger-scale processes
  • in the hydrate research community 在水合物研究界
  • this work seeks to address that. 这项工作试图解决这个问题。
  • The premise of their application is that
  • The explanation set forth was that 提出的解释是这样的
  • Ergo:
    • Therefore,
    • hence,
    • thus,
    • accordingly,
    • consequently.
    • On this account,
  • housing massive quantities of organic carbon
  • a complex network with miscellaneous pore structures,
  • terrestrial permafrost regions
  • due to the intricate dissociation mechanisms

水层厚度

https://doi.org/10.1002/2015GC005811

  • 在石英颗粒和天然气水合物之间通常可以观察到水层；
  • 石英表面覆盖着一层厚度可变的水层。

矿物颗粒表面结构对孔隙空间中水合物平衡条件没有显著影响

  • 矿物颗粒表面结构的变化，特别是沙子、粘土和玻璃珠表面结构的差异，对颗粒之间孔隙空间中形成的天然气水合物的平衡条件没有显著影响。因此，玻璃微珠有望成为一种有用的、表征良好的材料，用于研究具有小水膨胀能力的自然沉积物的平衡条件。

  • 但是：材料组成的差异似乎影响了平衡温度变化对孔径的依赖关系。高岭土对孔隙大小的依赖性最敏感，多孔玻璃对孔隙大小的依赖性最弱。这种差异可能是由于水分子与粘土矿物之间的相互作用比水分子与硅玻璃之间的相互作用更强。

    https://doi.org/10.1029/2003JB002771

孔径越大越利于水合物的形成？

只有蒙脱石是这样？由于离子的作用？

  • It is found that larger pore size is more favorable for hydrate formation, no matter which surface contact is presented, as more bulk water molecules locate in the middle regions of the nanopores.

  • CH4 hydrate formation is prohibited in the 1.6-nm nanopores, but occurs in the larger nanopores with a layer spacing of 3.2 and 4.8 nm.

    Fuel 311 (2022) 122607

  • It is mainly due to the larger effect of ions on the hydrate formation in the montmorillonite with the smaller pore size. When the pore size increases, this effect of ions reduces. Therefore, it is easier to form hydrate in the montmorillonite with the larger pore size

    Chinese Journal of Chemical Engineering 27 (2019) 1212–1218

  • These results indicate that hydrate crystal growth in the aqueous solution system with small pore size clay is faster than that in the pure system. This implies that the hydroxylated edge sites of the surface of small pore size clay can promote hydrate growth.

    小孔径内水合物要比纯水体系生长快

    Langmuir 2016, 32, 31, 7975–7984

  • These results indicate that the ability to promote hydrate growth on the surface of clay is weakened by the effect of diffusion for clay with a larger pore size. The speed of hydrate growth in the aqueous solution region of the clay system with a large pore size is slower than that in the pure water system.

    对于孔径较大的粘土，扩散效应削弱了粘土表面促进水合物生长的能力。

    Langmuir 2016, 32, 31, 7975–7984

  • Hydrate growth is inhibited when the growth occurs in small pores with the smaller the pore, the greater the inhibition.

    当水合物生长发生在小孔隙中时，水合物生长受到抑制，孔隙越小，抑制作用越大。

    https://doi.org/10.1029/2003JB002771

油水乳化的五种命运

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Shan-Chen模型

  • Shan-Chen 模型是一种在格子 Boltzmann 方法 (Lattice Boltzmann Method, LBM) 中使用的多相流模型。它最初由 Shan 和 Chen 在1993年提出，用于模拟流体动力学中的相分离和多孔介质流动等现象。
  • Shan-Chen 模型是基于格子 Boltzmann 方法的离散速度模型，其核心思想是在单一的离散速度上引入一个额外的色散势场，以模拟相互作用流体粒子之间的复杂性。这个色散势场的存在使得模型能够捕捉到流体微观尺度上的相分离、表面张力等效应，从而模拟出宏观上的多相流动行为。
  • Shan-Chen 模型通常被用于模拟包括多孔介质流动、界面运动、气液两相流等在内的复杂多相流现象。其相比于传统的 LBM 模型，具有较高的数值稳定性和模拟效率，在多相流领域得到了广泛的应用和研究。

在有限的区域内传热对水合物结构演化的影响有限

The Innovation Energy 1(1): 100015, February 26, 2024

  • Consequently, the uniform temperature distribution across the domain does not result in substantial regional variations in hydrate dissociation, indicating that heat transfer processes exert a negligible impact on hydrate structural evolution within a limited reservoir framework.

支撑水合物沉积物三相共存分布

Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1999, 104(B10): 22985-23003.

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PVP对水合物成核生长的影响：

孔隙水合物CT图像

    • (样品1,Ws = 20%)气-水界面GH薄膜成核:(a) GH开始形成前的CT图像，(b)反应时间70 s (tR = 70 s)后的CT图像。白色为天然气水合物(GH)，灰色为水(W)和氙(Xe)，浅灰色为石英、砂(Qz)。气体和幼年水的对比几乎相同，只能通过半月板将两相分开来区分。

    • (a)层析成像显示沉积物颗粒和GH之间的剩余流体相(很可能是水);蓝色圈圈区域表示靠近粒间接触的水桥，红色圈圈区域表示颗粒表面较大的水袋。(b)在[Priest et al.， 2006]之后修改的喷射流概念模型，其中石英为灰色，水为蓝色，GH为黄色，显示了水桥和水袋，后者可能位于GH晶体之间的晶界。

Peng Robinson Equation of State(PR EOS)

  • Peng Robinson Equation of State是热力学领域的一个重要概念，在各个工程学科中发挥着重要作用。这个方程经常用于化学过程的模拟和优化，特别是那些涉及碳氢化合物的过程。这是理解真实流体行为、相平衡和热力学性质(如焓和熵)的关键方面。

  • 本质上是一个数学模型，用于计算和预测纯组分和混合物在气体、液体和超临界流体状态下的行为。

  • 这个状态方程是一个三次形式，类似于Van der Waals和Redlich-Kwong早期的方程，只是增加了一个额外的项来更好地描述非理想流体的行为。它的有效性，特别是对于含碳氢化合物的体系，使其在工业和学术界得到了广泛的应用。

  • image-20240406190543455

  • Peng-Robinson状态方程提供了碳氢化合物体系相行为的准确描述，并合理地表示了密度和压缩系数。这使其成为石油工业中烃类系统模拟的理想选择。

水合物形成速率公式（实验）

  • $r(t)=\frac {(n_{CH_{4,i-1}}-n_{CH_{4,i+1}})} {(t_{i+1}-t_{i-1})n_{wo}}$

  • image-20240406184948065

水合物形成和分解实验步骤

Fuel 356 (2024) 129651

形成

  1. 清洗反应器，至少三次；
  2. 添加一定量（比例）的去离子水（抑制剂）；
  3. 缓慢通入甲烷气体，排出反应器内空气；
  4. 控制水浴温度，保持温度约2小时；
  5. 然后将反应器迅速加压到水合物形成的实验压力；
  6. 水合物反应在（未）搅拌的罐式反应器中进行；
  7. 当反应器内压力保持恒定值至少5小时时，反应终止。

分解

  1. 以5.0 K的速度递增温度；
  2. 每个温度保持约10小时，使系统达到平衡状态；

其他

  • 环戊烷存在的时候，生成的水合物是sII型水合物？

    Sloan Jr ED. Koh CA. Koh C. Clathrate hydrates of natural gases: CRC Press; 2007.

    Fuel 356 (2024) 129651

  • 结构I(sI)纯CH4水合物在288.15 K下的水合物形成条件为11.85 MPa。

    Sloan Jr ED. Koh CA. Koh C. Clathrate hydrates of natural gases: CRC Press; 2007.

collinearity exclusion

  • “collinearity exclusion”通常指的是在数据分析或建模中，通过排除共线性（collinearity）来改善模型的性能和稳定性。共线性是指两个或多个自变量之间存在高度线性相关性的情况，这可能会导致模型的不稳定性和解释性降低

  • 在许多统计和机器学习模型中，共线性可能导致以下问题：

    1. 参数估计不准确：当自变量之间存在共线性时，参数估计可能变得不准确，使得模型的预测能力下降。
    2. 模型解释困难：共线性使得模型中每个自变量的独立解释能力降低，使得解释模型的整体效果变得困难。
    3. 过拟合：在存在共线性的情况下，模型可能会过度拟合训练数据，导致在新数据上的泛化能力不佳。

  • 为了解决这些问题，可以通过采取以下方法来排除共线性：

    1. 特征选择：选择对目标变量有较强影响而且彼此之间相关性较低的自变量。
    2. 特征变换：对自变量进行变换，如PCA（Principal Component Analysis，主成分分析）等方法，降低它们之间的相关性。
    3. 正则化：通过添加正则化项来惩罚模型中的高系数，从而减少共线性对模型的影响。

  • 通过排除共线性，可以改善模型的性能和稳定性，使得模型更适用于实际应用。

    ChatGPT can make mistakes. Consider checking important information.

神经网络种类

Feedforward neural networks （FNN）前馈神经网络

  • 前馈神经网络（Feedforward Neural Network ,FNN），简称前馈网络。
  • 整个网络中的信息是朝着一个方向传播的，即输入到输出方向，没有反向的信息传播（和误差反向传播不是一回事）,可用有向无环图表示
  • 前馈神经网络包括**全连接前馈神经网络(FC)和卷积神经网络(CNN)**。
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反馈型神经神经网络

  • 反馈神经网络中神经元不但可以接收其他神经元的信号，而且可以接收自己的反馈信号。

  • 和前馈神经网络相比，反馈神经网络中的神经元具有记忆功能，在不同时刻具有不同的状态。反馈神经网络中的信息传播可以是单向也可以是双向传播

  • 常见的反馈神经网络包括**循环神经网络(RNN)**、Hopfield网络和玻尔兹曼机

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图网络

  • 前馈神经网络和反馈神经网络的输入都可表示为向量或者向量序列，但实际应用中很多数据都是图结构的数据，比如知识图谱、社交网络和分子网络等。这时就需要用到图网络来进行处理。

  • 图网络是定义在图结构数据上的神经网络，图中每个结点都由一个或者一组神经元组成。结点之前的连接可以是有向的，也可以是无向的。每个结点可以收到来自相邻结点或自身的信息。

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PVP 拉曼

https://blog.csdn.net/weixin_40519315/article/details/104514507

Viscous temperature

  • “Viscous temperature” 通常是指在流体力学中，特别是液体流体力学中，用来描述粘性行为的一个概念。

  • 在液体中，温度的影响会导致流体的粘性发生变化。当温度升高时，液体的粘度通常会降低，使得流体更容易流动。而 “viscous temperature” 是指在某个温度下，流体的粘度等于某个特定的值（通常是初始粘度的一半）。这个温度被称为 “viscous temperature”。

  • 在流体力学中，了解 “viscous temperature” 对于预测流体行为和性能是非常重要的。它可以影响到许多液体流体的现象，如流动的稳定性、湍流的形成、热传导等。

    ChatGPT可能会犯错误。请考虑核实重要信息。

电场控制水合物分解的电场范围

  • 0.8, 1.2, 1.6 and 2.0 V/nm

  • $m_i\vec{r_i}=f_i+q_i\vec{E}(t)$

    J. Chem. Thermodynamics 117 (2018) 68–80

  • 0.9~1.4 V/nm

    Fuel 307 (2022) 121866

  • $E(t)=A*\vec{u}*cos(2\pi vt+\varphi)$

    • $A$ 电磁强度；
    • $v$ 频率
    • $\vec{u}、\varphi$ 极化方向（0,1,0）、相位

    https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00248

  • 高频或低频电场对水合物的影响较小：155 or 80000GHz

    Fuel 321 (2022) 124014

SPC模型低估水合物分解模型约60 K

J. Chem. Thermodynamics 117 (2018) 68–80

J. Chem. Phys. 138 (2013) 056101.

The van der Waals and Platteeuw (vdW-P) model

Renewable and Sustainable Energy Reviews 173 (2023) 113103

  • 是预测天然气水合物平衡条件最常用的热力学模型之一， 基于经典统计热力学。
  • 局限性：
    • calculating the Langmuir adsorption constants is complex
    • the vdW-P model has a high error in calculating the gas-hydrate equilibrium at low and high temperatures

salts对甲烷水合物的热力学和动力学都有影响？

  • Moreover, as salts have a significant effect on both the thermodynamics and kinetics of methane hydrates, much attention has recently been directed to the use of seawater in addition to pure water for the formation of methane hydrates

    Renewable and Sustainable Energy Reviews 173 (2023) 113103

solidified natural gas (SNG)优势

  • high volume storage capacity,

  • environmental friendliness,

  • high safety,

  • cost-effectiveness,

  • large-scale natural gas storage

    Chem Eng J 2021;415:128927.

能量最小化方法：最速下降法和共轭梯度法

  • 最速下降法是快速移除体系内应力的好方法, 但是接近能量极小点时收敛比较慢；

  • 共轭梯度法在能量极小点附近收敛效率高一些；

  • 一般做能量最小化时都是先利用最速下降法进行优化, 完成之后再对得到的构象利用共轭梯度法优化一次, 这样做能有效地保证后续模拟的进行

麦克斯韦-玻尔兹曼分布

  • The initial velocity distribution of all molecules follows the Maxwell-Boltzmann distribution

  • img

  • 在分子动力学模拟或统计力学中，麦克斯韦-玻尔兹曼分布描述了在热平衡状态下，理想气体中分子的速度分布。

  • 麦克斯韦-玻尔兹曼分布的数学表达式取决于温度和分子质量。在一维情况下，其概率密度函数为：

    • image-20240124164422690

  • 这个分布表明在热平衡状态下，更多的分子具有较低的速度，而较高速度的分子数量相对较少。这种分布在模拟和理解气体的热力学性质以及在分子动力学模拟中的初始条件设定时非常常见。

MD测接触角时为什么选择半圆柱形？

Chemical Engineering Journal 481 (2024) 148387

  • Firstly, the use of semi-cylindrical geometry allows for a straight-line contact between the water droplet and the substrate, thereby reducing the curvature of the droplet.

    This decreases the nanoscale pressure difference at the water–oil/gas interface, ensuring that the contact angle measured at the nanoscale is consistent with the
    contact angle measured at the macroscopic scale

  • Secondly, the semi-cylindrical shape eliminates the influence of three-phase line tension, which can significantly impact contact angle results at the molecular scale.

抗冻蛋白也属于动力学抑制剂？

  • Antifreeze proteins (AFPs), as the green KIs, are environmentally friendly

  • Besides, AFPs’ inhibitory performance on hydrates surpasses that of copolymers such as PVP/PVCap

    • Chemical Engineering Journal 481 (2024) 148387

表面活性剂促进水合物成核、生长机理

  • 疏水链吸附在水合物表面，亲水链暴露在液相。吸附作用稳定了成核，减少了成核屏障，缩短了诱导时间，提高了水合物的生长动力学；
    • J. Phys. Chem. B 122 (2018) 6536–6542,
  • 一般来说，SDS是有毒的，并且具有很高的降解成本

什么是counterions？

ChatGPT

  • counterions是指在溶液中与带电物质相反电荷的离子。

  • 在化学和生物化学中，许多物质可以带有电荷，这些电荷可以是正电荷（阳离子）或负电荷（阴离子）。为了维持电中性，这些带电物质通常会被周围的离子所包围，这些离子的电荷与带电物质相反，从而抵消了电荷效应。

  • 例如，如果一个分子带有正电荷，周围可能会有一些带有负电荷的离子围绕着它，以保持整体电中性。这些负电荷的离子被称为”counterions”，因为它们的电荷与原始带电物质相反。

  • Counterions 在溶液中起着重要作用，它们可以影响物质的溶解性、稳定性和化学反应。在生物体系中，例如蛋白质和核酸中，也经常涉及到counterions，它们对生物大分子的结构和功能有重要影响。

  • 蒙脱石（montmorillonite）是一种属于硅酸盐矿物的粘土矿物，它通常包含有 counterions。蒙脱石的晶格结构中存在一些正电荷的金属离子，例如铝离子，这些金属离子可以吸引周围的负电荷离子，即 counterions。普通的 counterions 包括水分子、氢氧根离子（OH⁻）、以及其他一些带负电荷的离子。这些 counterions 可以与蒙脱石的结构中的正电荷部分相互作用，维持矿物的电中性，并影响蒙脱石的物理和化学性质。这些性质使蒙脱石在土壤科学、地球化学、以及一些工业应用中具有重要的作用。

  • 水分子可以被认为是 counterions 的一种，尤其在某些情况下，这与水分子的极性和其在溶液中的行为有关。水分子（H₂O）是极性分子，其中氧原子具有更强的电负性，而氢原子带有正电荷。由于极性，水分子能够与带有相反电荷的离子相互作用，尤其是负电荷的部分与氢原子附近的正电荷形成氢键。在某些情况下，当溶液中存在带有正电荷的物质时，水分子可以围绕这些正电荷的物质形成氢键，从而在电荷上形成一种屏蔽作用。这种情况下，水分子可以被视为带有负电荷的 counterions，因为它们有助于抵消正电荷的效应，保持整个系统的电中性。

    总体而言，水分子在溶液中的极性和氢键形成能力使其在很多情况下都可以充当 counterions，对维持溶液的电中性起到重要作用。

不同抑制剂优缺点

Chemical Engineering Journal 481 (2024) 148387

  • PVCap可以吸附在水合物表面，但是不稳定；

  • 聚合物、离子液体不是很环保，生物降解性小于30%，

  • 聚合物、离子液体在高度过冷时，它们失去了抑制效果

    水合物分解抑制剂应该不会在高过冷环境吧？因为需要分解抑制剂的环境应该是水合物相平衡条件以外了。

  • 抗凝聚剂：尽管不会抑制水合物形成，但是会包裹水合物颗粒，防止水合物聚集；能够在高过冷条件下发挥作用。

    • 防止聚集原因：能够吸附在水合物表面；能够改变水合物表面的形态、润湿性以及颗粒间相互作用；

  • 有研究表明表面活性能够使水合物表面从水湿变油湿，防止水合物颗粒间黏附

为什么VMD获得的RMSD是弯曲的？噪音很大，其平均不等于MSD？

RMSD

  • RMSD（Root Mean Square Deviation）是一种用于比较两个结构（通常是蛋白质、分子等）之间的相似性的指标。它衡量的是两个结构中相应原子之间的平均距离。RMSD 是结构生物学和计算化学中常用的指标之一，通常用于分析模拟过程中的结构变化或比较实验结构与计算结构之间的差异。

  • RMSD 的计算步骤如下：

    • 对两个结构中的每个原子，计算它们的坐标之差（偏移量）。
    • 将每个偏移量的平方相加，得到总的平方偏移量。
    • 将总的平方偏移量除以原子数目，得到均方偏移量。
    • 取均方偏移量的平方根，即 RMSD。

  • RMSD 的公式表示为：

    • image-20240112214430000

  • RMSD 的值越小，表示两个结构越相似。在分子动力学模拟等领域，RMSD 被广泛用于评估模拟轨迹中的结构演变，以及比较模拟结果与实验结构之间的一致性。

MSD

  • MSD，或均方位移（Mean Squared Displacement），是一种用于描述粒子在空间中运动轨迹的统计量。它量化了粒子相对于其初始位置的平均位移的平方随时间的演变。

  • 在计算 MSD 时，通常考虑的是粒子在不同时间点的位置。公式如下：

    • image-20240112214654330

  • MSD 是研究粒子扩散、运动性质和空间漫步的重要工具。通过分析 MSD 随时间的变化，可以得知粒子的扩散性质，例如是否存在受限制的运动、扩散的速率等信息。在生物学、物理学、材料科学和化学等领域，MSD 的分析在理解微观粒子行为和材料性质方面具有广泛的应用。

RMSD和MSD的区别

  • RMSD侧重于比较结构的相似性，而MSD侧重于揭示颗粒在空间中的运动特性。它们在不同领域和应用中有各自的意义。

为什么VMD获得的RMSD是弯曲的？

  • 因为VMD中的MSD没有进行时间段的平均；
  • 并且VMD中计算的RMSD平方不等于MSD；

如何获得线性比较好的MSD

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