Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Industrial materials >> Наноматериалы

Углы контакта масла в системе вода-декан-диоксид кремния:эффекты поверхностного заряда

Аннотация

Смачиваемость нефтью в системах вода-нефть-порода очень чувствительна к эволюции поверхностных зарядов на поверхности породы, вызванной адсорбцией ионов и других химических агентов при заводнении. Посредством набора крупномасштабных моделей молекулярной динамики мы выявили влияние поверхностного заряда на углы смачивания масла в идеальной системе вода-декан-диоксид кремния. Результаты показывают, что краевые углы нанокапель масла сильно зависят от поверхностных зарядов. Поскольку плотность поверхностного заряда превышает критическое значение 0,992 э / нм 2 угол смачивания достигает 78,8 °, и состояние смачивания водой очень заметно. Изменение краевых углов может быть подтверждено распределением числовой плотности молекул масла. С увеличением плотности поверхностного заряда адсорбция молекул масла ослабевает и площади контакта нанокапель с поверхностью диоксида кремния уменьшаются. Кроме того, распределения числовой плотности, распределения RDF и ориентации молекул показывают, что молекулы масла адсорбируются на поверхности диоксида кремния слой за слоем с ориентацией, параллельной поверхности. Однако слоистая структура молекул масла вблизи поверхности диоксида кремния становится все более неясной при более высоких плотностях поверхностного заряда.

Фон

Повышение нефтеотдачи пластов (EOR) становится все более важным в связи с возрастающими трудностями добычи сырой нефти из нефтяных пластов [1, 2]. Среди различных методов увеличения нефтеотдачи заводнение является доминирующим методом из-за его низкой стоимости и высокой эффективности. Заводнение - это многомасштабный процесс, включающий либо процессы вязкого образования трещин в пористых коллекторах, либо двухфазные процессы потока, при которых сырая нефть вытесняется закачиваемой водой в микрофлюидных каналах. В результате заводнение регулируется различными факторами, от масштаба пор до масштаба коллектора. Из-за большого отношения поверхности к объему нефтяных пластов и низких капиллярных чисел процесса вытеснения нефти смачиваемость нефтью и водой на поверхности пористых пород оказывает большое влияние на двухфазные потоки нефть-вода в нефти. водохранилища. Следовательно, смачиваемость поверхности горных пород очень важна для эффективности извлечения нефти [3,4,5].

Как правило, поверхность породы, смоченная водой, способствует вытеснению нефти; однако поверхность породы изначально выглядит как смоченная нефтью для адсорбции полярных молекул из важнейшей нефти и других веществ. Таким образом, изменение смачиваемости поверхности горных пород с смачиваемой нефтью на смачиваемую водой очень важно для методов увеличения нефтеотдачи пластов. При заводнении люди обычно искусственно добавляют некоторые химические вещества (например, поверхностно-активные вещества, полимеры, ионы, наночастицы) в закачиваемую воду, чтобы реализовать изменение смачиваемости [6,7,8,9,10,11]. Например, растворенные поверхностно-активные вещества в закачиваемой воде могут изменить смачиваемость пластовых пород до состояния, более увлажненного водой; Общепринято, что образование ионной пары и адсорбция молекул поверхностно-активного вещества посредством взаимодействия с адсорбированными компонентами сырой нефти на поверхности породы являются двумя основными механизмами, ответственными за изменение смачиваемости, вызванное поверхностно-активным веществом [12]. Для заводнения водой с низкой соленостью расширение двойного слоя при уменьшении солености и многокомпонентный ионный обмен являются двумя конкретными конкурирующими механизмами изменения смачиваемости песчаниковых коллекторов [13, 14]. В то время как для заводнения водой на основе наночастиц самослои и низкоразмерное структурирование наночастиц в области трехфазной контактной линии оказывают структурное разъединяющее давление на нефтяную фазу и, наконец, способствуют превращению смоченных нефтью поверхностей породы в водную. -влажное состояние [15,16,17,18].

Независимо от разнообразия методов заводнения, основным механизмом изменения смачиваемости является изменение трехфазных взаимодействий между водой-нефтью-породой, вызванное закачиваемыми химическими агентами. Для взаимодействий вода-нефть-порода электростатические взаимодействия играют важную роль в изменении смачиваемости, потому что химические агенты могут адсорбироваться на поверхности породы и впоследствии изменять поверхностные заряды. Например, двухвалентные катионы могут способствовать связыванию кислотных компонентов нефти с отрицательно заряженными поверхностями горных пород и, соответственно, изменять электрический потенциал поверхностей горных пород с отрицательного на положительный [19,20,21,22]. Между тем, химический состав воды может влиять на заряды на поверхности горных пород [23]. Таким образом, поверхностный заряд определенно является одним из наиболее важных факторов, влияющих на смачиваемость поверхности горных пород. Puah et al. [24] показали, что поверхностный заряд влияет как на статическую смачиваемость, так и на кинетику смачивания твердых поверхностей. Они также подтвердили, что статический краевой угол уменьшался выше и ниже точки нулевого поверхностного заряда по типу Липпмана, в то время как данные динамического краевого угла смачивания могут быть хорошо описаны молекулярно-кинетической теорией.

Поскольку трехфазная смачиваемость напрямую связана с молекулярными взаимодействиями между водой-нефтью-породой, очень необходимо молекулярное исследование, чтобы выявить влияние поверхностного заряда на смачиваемость поверхностей породы [25, 26]. В этой статье мы строим поверхность диоксида кремния для моделирования поверхности силикатной породы и изучаем ее трехфазную смачиваемость с учетом поверхностных зарядов с помощью метода моделирования молекулярной динамики (МД). Ожидается, что эффекты поверхностного заряда и лежащие в их основе механизмы будут выявлены из аспектов распределения молекулярной плотности, молекулярной структуры на поверхности горных пород и т. Д.

Методы

Система моделирования

Мы изучаем трехфазную смачиваемость в модельной системе, где нефть моделируется как декан, а порода моделируется как диоксид кремния. В частности, поверхность диоксида кремния вполне может представлять коллекторы песчаника [11, 27, 28]. Для расчета краевого угла смачивания масла масло заключено в воду в виде цилиндрической капли (см. Рис. 1). Для цилиндрической капли масла можно исключить влияние линейного натяжения на расчет краевого угла смачивания. Для создания подложки из диоксида кремния набор тригональных элементарных ячеек α-кварца собирается в направлениях [100], [010] и [001] соответственно. Затем кристалл α-кварца превращается из ромбоэдра в куб размером 15 × 15 × 1 нм 3 . Большое внимание необходимо уделить получению реалистичной структуры поверхности; так же, как процедура Puibasset et al. В [29] кристалл сначала разрезается по кристаллографической грани (111) и удаляются атомы кремния в неполных тетраэдрах. Затем немостиковые атомы кислорода, которые связаны только с одним атомом кремния, насыщаются атомами водорода. А именно, верхняя и нижняя стороны подложки из диоксида кремния насыщены атомами водорода. Следовательно, мы просто изменяем поверхностный заряд, добавляя частичные заряды к верхним атомам водорода на поверхности диоксида кремния, в то время как вся система остается нейтрализованной, добавляя эквивалентные частичные заряды с обратными значениями к нижним атомам водорода. Структуры молекул декана и воды также показаны на рис. 1.

Схематическое изображение системы моделирования. Вид сбоку системы моделирования с масляным кубом, окруженным водой на верхней части подложки из диоксида кремния (слева), и атомные виды молекул декана и воды (справа)

Как показано на рис. 1, вода и масло изначально расположены на верхней части подложки из диоксида кремния, а куб масла окружен тремя кубиками воды с разными размерами. Куб масла имеет размер 5 × 15 × 5 нм 3 и находится в центральной части подложки. Размеры водяного куба слева и справа такие же, как у куба масла, а размер водяного куба на верхней стороне составляет 15 × 15 × 5 нм 3 . Количество молекул воды и декана определяется размерами кубиков и плотностью воды и масла при условии 300 К и 1 бар. Плотность воды и масла составляет 1.000 и 0.725 г / см 3 . , соответственно; соответственно, количество молекул воды и декана составляет 58 319 и 1150 соответственно. Расположение молекул реализовано в программном обеспечении Material Studio; изначально они случайным образом распределяются в специальных ящиках. Затем проводится расчет минимизации энергии для оптимизации геометрии молекулы. Когда симуляция достигает состояния равновесия, масляная камера превращается в цилиндрическую каплю, а три водяные камеры могут сливаться вместе, образуя непрерывную фазу, окружающую каплю масла.

Модель MD

Наши МД моделирования выполняются с использованием платформы LAMMPS (крупномасштабный симулятор атомно-молекулярного массового параллелизма). Моделирование проводится в ансамбле NVT с температурой 300 K. Моделирование выполняется в целом для 5 миллионов временных шагов с шагом по времени 1 фс. Координаты атомов записываются каждые 10 000 временных шагов, чтобы наблюдать за эволюцией капель масла и, наконец, вычислять краевые углы. Система может достичь состояния равновесия примерно за два миллиона временных шагов, как показано на рис. 2. Таким образом, координаты атомов во время последнего миллиона временных шагов принимаются для усреднения распределений молекулярной плотности. Периодические граничные условия применяются в x - и y -направления, в то время как отражающее граничное условие применяется в z -направление. Во время моделирования атомы объемного SiO 2 фиксированы, но поверхностные атомы O и H гибкие под контролем термостата Носа-Гувера.

Методика расчета контактных углов цилиндрических капель масла

Все атомные взаимодействия между водой, деканом и диоксидом кремния моделируются потенциалом Леннарда-Джонса 12-6 в сочетании с полярным членом для учета как Ван-дер-Ваальских, так и кулоновских сил [30,31,32] следующим образом:

$$ \ phi \ left ({r} _ {ij} \ right) =\ left \ {\ begin {array} {ll} 4 \ varepsilon \ left [{\ left (\ frac {\ sigma} {r_ {ij }} \ right)} ^ {12} - {\ left (\ frac {\ sigma} {r_ {ij}} \ right)} ^ 6 \ right] + \ frac {Cq_i {q} _j} {\ chi { r} _ {ij}} &\ left ({r} _ {ij} <{r} _ {\ mathrm {cut}} \ right) \\ {} 0 &\ left ({r} _ {ij} \ ge {r} _ {\ mathrm {cut}} \ right) \ end {array} \ right. $$ (1)

где ε - энергетический параметр, σ - параметр длины, q я и q j - заряды на атомах i и j , C - электростатическая постоянная, а χ - диэлектрическая проницаемость. R вырезать - это расстояние отсечки для Ван-дер-Ваальских и короткодействующих электростатических сил. Расстояние отсечки установлено равным 10 Å. При моделировании дальнодействующие электростатические силы учитываются с помощью метода «частица-частица-сетка». Чтобы получить параметры потенциала в формуле. (1) модель TIP3P принята для H 2 Молекулы O [33]; для молекул декана принято силовое поле OPLS-AA [34]; для подложки из диоксида кремния принято силовое поле CVFF [35]. Параметры несвязанного потенциала, используемые в системе моделирования, перечислены в таблице 1. Правило Лоренца-Бертело используется для получения параметров потенциала между пересекающимися атомами. Также должным образом рассматриваются связи взаимодействия и диэдрические взаимодействия между четверками атомов в одной молекуле. Для взаимодействий связей применяется гармоническая модель, а для диэдральных взаимодействий - потенциальная модель OPLS [36].

Расчет контактного угла

Смачиваемость поверхности диоксида кремния характеризуется краевым углом смачивания масла, который получается на основе распределения плотности молекул масла в нанокаплях. На более ранней стадии моделирования капля масла превращается из куба в полуцилиндр и достигает состояния равновесия; этот процесс уравновешивания обычно занимает два миллиона временных шагов, что может быть подтверждено изменением во времени центра масс масляных капель. В состоянии равновесия координата центра масс остается постоянной в пределах z -направление. Поскольку распределение плотности молекул масла необходимо усреднить для равновесных конфигураций масло-вода, чтобы быть уверенным вдвойне, мы собираем координаты атомов только в последнем миллионе временных шагов, чтобы получить распределения плотности. Чтобы усреднить числовые плотности молекул, зона нефти / воды разделена на множество правильных кубических ячеек размером 2 × 2 × 2 Å 3 . За счет своевременного усреднения количества атомов, появившихся в каждой ячейке, трехмерный контур и двухмерный контур в x - z может быть получена плоскость распределений плотности нанокапель масла. Отмечено, что 2D-контур в x - z плоскость получается путем дальнейшего усреднения трехмерного контура по y -направление. При использовании 2D-контура граница раздела нефть-вода определяется на основе следующего правила; на границе плотность атомов масла в интерфейсных ячейках составляет половину плотности в ячейках объемной фазы масляных капель ( ρ b ). Учитывая толщину границы раздела, расположение таких ячеек определяется как граница раздела, если плотности в ячейках находятся в диапазоне от 0,2 ρ b до 0,8 ρ b . Используя описанный выше метод, можно идентифицировать отдельные точки на интерфейсе. Наконец, мы получаем профиль поверхности раздела, изображая эти дискретные точки окружностью, и вычисляем краевой угол смачивания капель масла. В фитинге центральное положение ( x 0 , z 0 ) и радиус r круга обязательно получаются. Угол контакта θ можно рассчитать как θ =Arccos ( d / г ), где d расстояние между центром круга и базовой линией поверхности скалы в z -направление ( d = z b - z 0 , z b это z -положение базовой линии, z b =12,16 Å). Если расстояние отрицательное, центр круга находится на вершине поверхности породы, а угол контакта определенно превышает 90 °. Все процедуры расчета краевого угла смачивания явно изображены на рис. 2. Чтобы получить таким образом краевой угол смачивания, достаточно проанализировать цилиндрическую каплю масла в декартовой системе координат.

Из-за отсутствия эффективных данных о краевых углах смачивания водяных капель масла на подложках из диоксида кремния, мы проверяем нашу имитационную модель, сравнивая краевые углы смачивания сферических капель воды на подложках из диоксида кремния. Мы проводим индивидуальное моделирование, чтобы получить угол смачивания нанокапли воды с 4179 молекулами. Следует отметить, что при моделировании валидации гидроксильные группы на поверхности подложек из диоксида кремния фиксируются, как и в других типичных работах. Измеренный угол смачивания составил 7,8 °, что хорошо согласуется с данными работы Pafong et al. [37]. Они сообщили, что угол контакта с водой составляет 7,0 °, что представляет собой относительное отклонение всего 10,3%. Это хорошее соответствие указывает на надежность нашей имитационной модели и метода.

Результаты и обсуждение

Угол контакта

Путем расчета углов смачивания цилиндрических капель масла можно получить изменение угла смачивания в зависимости от плотности поверхностного заряда, как показано на рис. 3. Из этого рисунка ясно видно, что угол смачивания сильно зависит от заряда поверхности. плотность; При переходе от отрицательно заряженной поверхности к положительно заряженной поверхности угол смачивания масляных капель значительно увеличивается. Это означает, что поверхность породы переходит из состояния, смоченного нефтью, в состояние, смоченное водой, когда поверхностный заряд увеличивается с отрицательных значений до положительных. Контуры средней плотности в x - z плоскости с различной плотностью поверхностного заряда также вставлены на этот рисунок для интуитивного понимания изменения смачиваемости поверхности.

Изменение краевых углов в зависимости от плотности поверхностного заряда. Также вставлены контурные изображения капель масла при различной плотности поверхностного заряда

Из рисунка 3 также видно, что поверхность породы представляет собой очень очевидное состояние смачивания водой, поскольку плотность поверхностного заряда увеличивается до 0,992 э / нм 2 . . Ниже этого критического значения изменение краевого угла смачивания в зависимости от плотности поверхностного заряда неочевидно; За пределами этого критического значения контактный угол достигает 78,8 °, и состояние смачивания водой очень заметно. Считается, что изменение краевого угла смачивания в зависимости от заряда поверхности вызвано изменением интенсивности взаимодействия вода-диоксид кремния и масло-диоксид кремния, поскольку поверхностный заряд влияет на взаимодействия между водой и диоксидом кремния и взаимодействия между маслом и кремнием. диоксид. Следует особо отметить, что результаты моделирования, основанные на этой идеальной системе, нельзя напрямую сравнивать с экспериментальными исследованиями для выявления зависящей от солености смачиваемости в системах нефть-вода-порода. В экспериментальных исследованиях катионы в водной фазе могут иметь эффект изменения электрического потенциала поверхности породы с отрицательного на положительный, но это определенно не единственный их эффект. Другие потенциальные эффекты катионов могут включать многоионный обмен, расширение двойного слоя и т. Д. [21, 38,39,40]. Поэтому совершенно иначе обстоит дело с изменением заряда поверхности и изменением концентрации катионов в воде. Соответственно, тенденции изменения контактных углов с плотностью поверхностного заряда и концентрацией катионов могут различаться. В этом исследовании с помощью моделирования мы обсуждаем только влияние частичных зарядов на поверхности диоксида кремния на трехфазную смачиваемость в очень идеальной системе нефть-вода-порода. Эти результаты не могут напрямую выявить механизмы заводнения водой с низкой соленостью и определить их применение для увеличения нефтеотдачи, но они могут дать базовое понимание того, как поверхностные заряды влияют на трехфазную смачиваемость. Это исследование по-прежнему актуально, поскольку оно раскрывает важную роль поверхностных зарядов в трехфазной смачиваемости в системе вода-декан-диоксид кремния.

Распределение плотности

Чтобы выявить механизмы зависимости краевого угла смачивания от плотности заряда, мы анализируем распределения плотности молекул масла по высоте ( z -направление). На рис. 4а представлена ​​средняя плотность молекул масла в каждом слое шириной 0,2 нм по высоте. Как видно из этого рисунка, в нижней части цилиндрической капли (т.е. около поверхности подложки) плотность масла высока и представляет собой распределение флуктуаций; это явление означает, что молекулы масла адсорбируются на поверхности подложки в слоистой структуре. В верхней части цилиндрической капли средняя плотность падает до значения, близкого к нулю, потому что дугообразная вершина капли делает количество молекул масла в параллельных слоях все меньше и меньше по мере приближения слоев к вершине. капелька. Между тем, мы можем обнаружить, что по мере того, как поверхностные заряды меняют отрицательные значения на положительные, численная плотность в адсорбционных слоях постепенно уменьшается; это указывает на то, что интенсивность адсорбции молекул масла ослабевает с увеличением поверхностных зарядов. Ослабление адсорбции молекул масла дополнительно означает меньшую площадь контакта между поверхностью подложки и каплей масла и, соответственно, больший угол контакта капли масла. Возрастающие углы смачивания масляных капель также могут отражаться в изменении высоты масляных капель в зависимости от поверхностных зарядов. Как видно из рис. 4а, высота масляной капли увеличивается с увеличением поверхностных зарядов; это означает, что при более высоком поверхностном заряде капли масла тоньше, а углы смачивания больше. Ослабление адсорбции молекул масла при положительных поверхностных зарядах может быть подтверждено по системной энергии систем вода-декан-диоксид кремния. Как показано на рис. 4b, энергия системы с усреднением по времени увеличивается с увеличением поверхностных зарядов. Чем выше положительная энергия системы, тем слабее притяжение между молекулами масла и диоксидом кремния. На вставленном рисунке показаны изменения во времени энергии системы для нейтральной поверхности диоксида кремния.

а Распределение плотности молекул нефти по z -направление; б Энергия системы с усреднением по времени при различной плотности поверхностного заряда

Изменение краевого угла смачивания в зависимости от заряда поверхности также может быть отражено в распределении молекулярной плотности числа вдоль x -направление. Как показано на рис. 5, распределение плотности числа вдоль x -направление в x - г плоскость высотой 1,9 нм по оси z -направление представляет собой площадку в центральной части. Ширина платформы связана с площадью поперечного сечения капли в x - г плоскости, а высота платформы связана с числовой плотностью молекул в каплях. Ширина и высота платформы заметно различаются при разных поверхностных зарядах, которые соответствуют разным формам цилиндрических капель и, конечно же, различным углам смачивания. Для меньших углов контакта платформа шире; для более высоких углов смачивания платформа уже. Отмечается, что высота платформы для поверхностной плотности заряда 7,936 э / нм 2 особенно низка, потому что вблизи поверхности диоксида кремния распределения плотности сильно колеблются (см. рис. 4а), а в некоторых случаях молекулярные плотности на высоте 1,9 нм находятся как раз на минимумах распределений плотности.

Распределение плотности молекул масла по x -направление в x - г плоскость высотой 1,9 нм по оси z -направление

Мы также получаем распределения плотности отрицательных зарядов атомов внутри цилиндрических капель, как показано на рис. 6. В основном, отрицательные заряды имеют очень неравномерное распределение. В зонах, прилегающих к поверхности диоксида кремния, плотность отрицательных зарядов чрезвычайно высока, в то время как в зонах, удаленных от поверхности диоксида кремния, отрицательные заряды распределяются равномерно. Между тем, в зонах высокой плотности, прилегающих к поверхности диоксида кремния, отрицательные заряды распределяются слой за слоем. Слоистое распределение отрицательных зарядов напрямую связано со слоистой структурой молекул масла вблизи поверхности диоксида кремния, поскольку отрицательные заряды напрямую связаны с атомами углерода в молекулах масла. Кроме того, мы можем обнаружить, что распределения плотности отрицательных зарядов имеют небольшое разнообразие при различных плотностях поверхностных зарядов. По мере увеличения плотности поверхностного заряда слоистое распределение отрицательных зарядов становится все более неясным. Это связано с уменьшением площадей контакта нанокапель с поверхностями диоксида кремния; при высоких плотностях поверхностного заряда площади контакта уменьшаются, а слоистая структура молекул масла становится незаметной из-за ослабления сольватационных взаимодействий.

Распределение плотности отрицательного заряда внутри цилиндрических капель масла в x - z самолет. а - 1,984 э / нм 2 . б - 0,992 э / нм 2 . c - 0,1984 э / нм 2 . г 0,0 э / нм 2 . е 0,1984 э / нм 2 . е 0,992 э / нм 2 . г 1,984 э / нм 2 . ч 3,968 э / нм 2 . я 5,952 э / нм 2 . j 7,936 э / нм 2

Молекулярная структура

Молекулярные структуры в системе вода-декан-диоксид кремния также очень важны для понимания трехфазной смачиваемости. Мы пытаемся анализировать молекулярные структуры нефти и воды с помощью функции радиального распределения (RDF, g ( г ) [41]) и ориентации молекул. На рисунке 7 представлены RDF-распределения молекул масла и воды и ориентации молекул масла на нейтральной поверхности диоксида кремния. Распределения РФР для пар атомов O – O и C – C совершенно разные (см. Рис. 7a), а именно, РФР-распределения атомов C – C имеют больше волн, чем у атомов O – O, и максимальные значения волн для атомов C – C выше. В сочетании с физическим значением функций RDF можно легко сделать вывод, что молекулы масла сильно адсорбируются на поверхности диоксида кремния с несколькими слоями, в то время как молекулы воды адсорбируются слабо и появляется только один адсорбционный слой. Явление адсорбции также можно увидеть на вставленных картах на рис. 7a, где показаны снимки равновесия молекул нефти и воды на нейтральной поверхности диоксида кремния. Очевидные адсорбционные слои молекул масла могут быть подтверждены распределением числовой плотности на рис. 4а. Вообще говоря, слоистая структура молекул жидкости на твердой поверхности связана с взаимодействиями жидкость-твердое тело. Для сильных взаимодействий жидкость-твердое тело молекулы жидкости вблизи твердой поверхности распределяются слой за слоем вдоль направления, нормального к поверхности, в то время как для слабых взаимодействий жидкость-твердое тело слоистая структура молекул жидкости не очень заметна [42 ]. В этом исследовании взаимодействия между водой и диоксидом кремния относительно слабее, чем между нефтью и диоксидом кремния. Таким образом, слоистая структура молекул масла вблизи твердой поверхности более очевидна, чем у молекул воды.

Молекулярные структуры на нейтральной поверхности диоксида кремния. а RDF-распределения молекул нефти и воды. б Ориентация молекул масла, находящихся на разной высоте по z -направление

Чтобы дополнительно отразить ориентацию длинноцепочечных молекул масла на поверхностях диоксида кремния, мы получаем углы между молекулами масла и поверхностями диоксида кремния для молекул, расположенных на разной высоте в z -направление, как показано на рис. 7b. Угол θ определяется как угол пересечения между базовой линией поверхности диоксида кремния и центральной линией молекулы масла, где центральная линия определяется как средняя линия соединительной линии между C1 и C6 и соединительной линии между C1 и C10. . Порядковый номер атомов углерода в молекуле масла начинается с одной конечной стороны молекулы, которая больше прилегает к поверхности диоксида кремния. Определение угла θ также вставлен на рис. 7b. Как видно из этого рисунка, углы для большинства молекул масла очень малы, особенно для молекул масла вблизи поверхности диоксида кремния. Это означает, что молекулы масла адсорбируются на поверхности диоксида кремния с ориентацией, параллельной поверхности. Это явление также можно подтвердить на вставленных картах на рис. 7а.

Выводы

Используя моделирование методом МД, мы изучаем влияние плотности поверхностного заряда на краевые углы смачивания масла в системе вода-декан-диоксид кремния. Результаты показывают, что краевой угол нанокапель масла значительно увеличивается по мере увеличения поверхностного заряда от отрицательных значений до положительных. Поскольку плотность поверхностного заряда превышает критическое значение 0,992 э / нм 2 угол смачивания достигает 78,8 °, и состояние смачивания водой очень заметно. Изменение краевых углов может быть подтверждено распределением плотности молекул масла вдоль x - и z -направления. Уменьшение плотности молекул масла в адсорбционных слоях и увеличение высоты масляной капли означают больший угол смачивания масляных капель при более высоких плотностях поверхностного заряда. Благодаря слоистой структуре молекул масла вблизи поверхности диоксида кремния отрицательные заряды, прилегающие к поверхности диоксида кремния внутри капель масла, также распределяются слой за слоем. По мере увеличения плотности поверхностного заряда слоистое распределение отрицательных зарядов (молекул масла) становится все более и более неясным из-за ослабленных взаимодействий масло-диоксид кремния. Распределения RDF молекул масла и воды и распределения молекулярной ориентации также показывают, что молекулы масла адсорбируются на поверхностях диоксида кремния слой за слоем с ориентацией, параллельной поверхностям. Эти результаты имеют важное значение для понимания изменения смачиваемости, вызванного ионами и другими химическими агентами в водной фазе, особенно для понимания важной роли поверхностных зарядов в трехфазной смачиваемости в системе вода-декан-диоксид кремния.

Сокращения

CVFF:

Согласованное поле валентных сил

EOR:

Повышение нефтеотдачи

LAMMPS:

Крупномасштабный атомно-молекулярный симулятор с массовым параллелизмом

MD:

Молекулярная динамика

OPLS-AA:

Optimized potentials for liquid simulations all-atom force field

RDF:

Radial distribution function


Наноматериалы

  1. Раннее обнаружение проблем с машинами:рекомендации для операторов
  2. Визуализация молекул в разных состояниях заряда
  3. Влияние соадсорбции на межфазный перенос заряда в композите квантовая точка @ краситель
  4. Поверхностный эффект на транспортировку нефти в наноканале:исследование молекулярной динамики
  5. Система удаленного мониторинга нефтяных и дизельных резервуаров на основе IoT
  6. Что влияет на масло в гидравлической системе
  7. Понимание системы мокрого и сухого масляного картера
  8. Понимание системы смазки двигателя
  9. Факторы, которые следует учитывать при выборе системы компрессора и осушителя
  10. СКОЛЬКО СТОИТ НАЗЕМНАЯ (ПОВЕРХНОСТНАЯ) КОНВЕЙЕРНАЯ СИСТЕМА?