Oliecontacthoeken in een water-decaan-siliciumdioxidesysteem:effecten van oppervlaktelading

Abstract

De bevochtigbaarheid van olie in de water-olie-gesteente-systemen is erg gevoelig voor de ontwikkeling van oppervlakteladingen op de gesteenteoppervlakken, veroorzaakt door de adsorptie van ionen en andere chemische middelen bij overstromend water. Door middel van een reeks grootschalige moleculaire dynamica-simulaties onthullen we de effecten van oppervlaktelading op de oliecontacthoeken in een ideaal water-decaan-siliciumdioxidesysteem. De resultaten laten zien dat de contacthoeken van olie-nanodruppels sterk afhankelijk zijn van de oppervlakteladingen. Aangezien de oppervlakteladingsdichtheid een kritische waarde van 0,992 e/nm² overschrijdt , de contacthoek reikt tot 78,8° en de water-natte toestand is zeer duidelijk. De variatie van contacthoeken kan worden bevestigd aan de hand van de nummerdichtheidsverdelingen van oliemoleculen. Met toenemende oppervlakteladingsdichtheid verzwakt de adsorptie van oliemoleculen en worden de contactgebieden tussen nanodruppeltjes en het siliciumdioxide-oppervlak verminderd. Bovendien geven de getalsdichtheidsverdelingen, RDF-verdelingen en moleculaire oriëntaties aan dat de oliemoleculen laag voor laag op het siliciumdioxide-oppervlak worden geadsorbeerd met een oriëntatie evenwijdig aan het oppervlak. De gelaagde structuur van oliemoleculen nabij het siliciumdioxide-oppervlak wordt echter steeds onduidelijker bij hogere oppervlakteladingsdichtheden.

Achtergrond

Verbeterde oliewinning (EOR) wordt steeds belangrijker met de toenemende moeilijkheden bij de winning van ruwe olie uit oliereservoirs [1, 2]. Van de verschillende EOR-technieken is wateroverlast een dominante benadering vanwege de lage kosten en hoge efficiëntie. Wateroverstroming is een proces met meerdere schalen, inclusief de viskeuze processen in de poreuze reservoirs of de tweefasige stroomprocessen waarbij de ruwe olie wordt verdrongen door het geïnjecteerde water in microfluïdische kanalen. Dientengevolge wordt wateroverstroming gecontroleerd door verschillende factoren, van porieschaal tot reservoirschaal. Vanwege de grote oppervlakte-tot-volumeverhoudingen van de oliereservoirs en de lage capillaire aantallen olieverplaatsingsproces, heeft de bevochtigbaarheid van olie en water op de poreuze rotsoppervlakken een grote invloed op de olie-water tweefasenstromen in olie reservoirs. Daarom is de bevochtigbaarheid van rotsoppervlakken zeer cruciaal voor de efficiëntie van de oliewinning [3,4,5].

Over het algemeen is het water-natte rotsoppervlak gunstig voor de olieverplaatsing; het rotsoppervlak lijkt echter aanvankelijk olie-nat voor de adsorptie van polaire moleculen uit cruciale olie en andere. De wijziging van de bevochtigbaarheid van gesteenteoppervlakken van olie-nat naar water-nat is dus erg belangrijk voor de EOR-technieken. Bij het overstromen van water voegen mensen gewoonlijk kunstmatig wat chemische middelen (bijv. oppervlakteactieve stoffen, polymeren, ionen, nanodeeltjes) toe aan het geïnjecteerde water om de verandering van de bevochtigbaarheid te realiseren [6,7,8,9,10,11]. De opgeloste oppervlakteactieve stoffen in geïnjecteerd water kunnen bijvoorbeeld de bevochtigbaarheid van reservoirgesteenten veranderen in een meer waternatte toestand; algemeen wordt aangenomen dat de vorming van ionenparen en de adsorptie van oppervlakteactieve moleculen door de interacties met de geadsorbeerde ruwe oliecomponenten op gesteenteoppervlakken de twee belangrijkste mechanismen zijn die verantwoordelijk zijn voor de door oppervlakteactieve stof veroorzaakte bevochtigbaarheidsverandering [12]. Voor de wateroverstroming met een laag zoutgehalte zijn de dubbellaagse expansie bij vermindering van het zoutgehalte en de ionenuitwisseling met meerdere componenten twee specifieke concurrerende mechanismen voor de wijziging van de bevochtigbaarheid van zandsteenreservoirs [13, 14]. Terwijl voor de op nanodeeltjes gebaseerde wateroverstroming, de zelfgelaagde en laagdimensionale structurering van nanodeeltjes in het driefasige contactlijngebied een structurele onsamenhangende druk uitoefenen op de oliefase en uiteindelijk bevorderen dat de olie-natte rotsoppervlakken veranderen in een water -natte toestand [15,16,17,18].

Ongeacht de verscheidenheid aan wateroverstromingstechnieken, is het essentiële mechanisme van verandering van bevochtigbaarheid de verandering van de driefasige interacties tussen water-olie-gesteente, veroorzaakt door de geïnjecteerde chemische middelen. Voor de water-olie-gesteente-interacties spelen de elektrostatische interacties een grote rol bij de verandering van de bevochtigbaarheid, omdat de chemische middelen kunnen adsorberen op de rotsoppervlakken en vervolgens de oppervlakteladingen veranderen. De tweewaardige kationen kunnen bijvoorbeeld de binding van zure oliecomponenten aan negatief geladen rotsoppervlakken bevorderen en dienovereenkomstig de elektrische potentiaal van rotsoppervlakken wijzigen van negatief naar positief [19,20,21,22]. Ondertussen zou de chemie van water zelf de ladingen op rotsoppervlakken kunnen beïnvloeden [23]. De oppervlaktelading is dus zeker een van de belangrijkste factoren die de bevochtigbaarheid van gesteenteoppervlakken beïnvloeden. Pua et al. [24] toonde aan dat de oppervlaktelading zowel de statische bevochtigbaarheid als de bevochtigingskinetiek van vaste oppervlakken beïnvloedde. Ze bevestigden verder dat de statische contacthoek op een Lippman-achtige manier afnam boven en onder het punt van nul oppervlaktelading, terwijl de dynamische contacthoekgegevens goed kunnen worden beschreven door de moleculaire kinetische theorie.

Omdat de driefasige bevochtigbaarheid direct gerelateerd is aan de moleculaire interacties tussen water-olie-gesteente, is een moleculair inzichtonderzoek zeer noodzakelijk om de effecten van oppervlaktelading op de bevochtigbaarheid van gesteenteoppervlakken te onthullen [25, 26]. In dit artikel bouwen we een siliciumdioxide-oppervlak om de silicaatgesteente-oppervlakken te modelleren en de driefasige bevochtigbaarheid ervan te bestuderen met inachtneming van de oppervlakteladingen met behulp van de moleculaire dynamica (MD) simulatiemethode. De effecten van oppervlaktelading en hun onderliggende mechanismen zullen naar verwachting worden onthuld uit de aspecten van moleculaire dichtheidsverdelingen, moleculaire structuur op rotsoppervlakken, enz.

Methoden

Simulatiesysteem

We bestuderen de driefasige bevochtigbaarheid in een modelsysteem, waarbij de olie wordt gemodelleerd als decaan, terwijl het gesteente wordt gemodelleerd als siliciumdioxide. Met name het siliciumdioxide-oppervlak kan goed de zandsteenreservoirs vertegenwoordigen [11, 27, 28]. Om de oliecontacthoek te berekenen, wordt de olie als een cilindrische druppel in water ingesloten (zie Fig. 1). Voor de cilindrische oliedruppel kunnen de effecten van lijnspanning op de berekening van de contacthoek worden geëlimineerd. Om het siliciumdioxidesubstraat te bouwen, wordt een reeks trigonale eenheidscellen van α-kwarts geassembleerd in respectievelijk de [100], [010] en [001] richtingen. Vervolgens wordt het α-kwartskristal getransformeerd van een rhomboëder naar een kubus met een grootte van 15 × 15 × 1 nm³ . Er moet veel aandacht worden besteed aan het verkrijgen van een realistische oppervlaktestructuur; hetzelfde als de procedure van Puibasset et al. [29] wordt het kristal eerst langs het (111) kristallografische vlak gesneden en worden de siliciumatomen in de onvolledige tetraëders verwijderd. Vervolgens worden de niet-overbruggende zuurstofatomen, die aan slechts één siliciumatoom zijn gebonden, verzadigd met waterstofatomen. De boven- en onderkant van het siliciumdioxidesubstraat zijn namelijk beide verzadigd met waterstofatomen. Daarom veranderen we eenvoudig de oppervlaktelading door gedeeltelijke ladingen toe te voegen aan de bovenste waterstofatomen op het siliciumdioxide-oppervlak, terwijl het hele systeem geneutraliseerd wordt gehouden door equivalente gedeeltelijke ladingen met inverse waarden toe te voegen aan de onderste waterstofatomen. De structuren van decaan- en watermoleculen worden ook getoond in Fig. 1.

Schematische weergave van het simulatiesysteem. Zijaanzicht van het simulatiesysteem met een oliekubus omgeven door water op de bovenkant van siliciumdioxidesubstraat (links) en atomaire aanzichten van decaan en watermoleculen (rechts)

Zoals getoond in Fig. 1 zijn het water en de olie aanvankelijk gerangschikt op de bovenkant van het siliciumdioxidesubstraat en wordt de oliekubus omgeven door drie waterkubussen met verschillende afmetingen. Het olieblokje heeft een afmeting van 5 × 15 × 5 nm³ en bevindt zich in het centrale deel van het substraat. De afmetingen van de waterblokjes aan de linker- en rechterkant zijn dezelfde als die van het olieblokje, terwijl die van het waterblokje aan de bovenkant 15 × 15 × 5 nm³ is . Het aantal water- en decaanmoleculen wordt bepaald door de grootte van de kubussen en de water- en oliedichtheden onder de voorwaarde van 300 K en 1 bar. De dichtheden van water en olie zijn 1.000 en 0.725 g/cm³ respectievelijk; dienovereenkomstig is het aantal water- en decaanmoleculen respectievelijk 58.319 en 1150. De rangschikking van moleculen wordt geïmplementeerd in de Material Studio-software; oorspronkelijk zijn ze willekeurig verdeeld in de speciale dozen. Vervolgens wordt een berekening van energieminimalisatie uitgevoerd om de moleculaire geometrie te optimaliseren. Naarmate de simulatie een evenwichtstoestand bereikt, evolueert de oliekast naar een cilindrische druppel, terwijl de drie waterkasten kunnen samensmelten en een continue fase vormen die de oliedruppel omringt.

MD-model

Onze MD-simulaties worden uitgevoerd met behulp van het platform van LAMMPS (grootschalige atomaire/moleculaire massaal parallelle simulator). De simulaties worden uitgevoerd in een NVT-ensemble met een temperatuur van 300 K. De simulaties lopen in totaal 5 miljoen tijdstappen met een tijdstap van 1 fs. De atomaire coördinaten worden elke 10.000 tijdstappen geregistreerd om de evolutie van oliedruppels te observeren en uiteindelijk de contacthoeken te berekenen. Het systeem kan in ongeveer twee miljoen tijdstappen een evenwichtstoestand bereiken, zoals weergegeven in figuur 2. De atomaire coördinaten tijdens de laatste miljoen tijdstappen worden dus aangenomen om de dichtheidsverdelingen van het molecuulgetal te middelen. Periodieke randvoorwaarden worden toegepast in de x - en y -richtingen, terwijl de reflecterende randvoorwaarde wordt toegepast in de z -richting. Tijdens de simulaties, de atomen van bulk SiO₂ zijn vast, maar de oppervlakte-O- en H-atomen zijn flexibel onder controle van de Nose-Hoover-thermostaat.

Berekeningsprocedures voor de contacthoeken van cilindrische oliedruppels

De atomaire interacties tussen water-decaan-siliciumdioxide zijn allemaal gemodelleerd door 12-6 Lennard-Jones-potentiaal gekoppeld aan een polaire term om zowel de Van der Waal- als de Coulombische krachten [30,31,32] te beschouwen, als volgt:

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

waar ε is de energieparameter, σ is de lengteparameter, q _ik en q _j zijn de ladingen op atomen i en j , C is de elektrostatische constante, en χ is de diëlektrische constante. R _knippen is de afsnijafstand voor de Van der Waal en korte afstand elektrostatische krachten. De afsnijafstand is ingesteld op 10 Å. In de simulaties wordt rekening gehouden met de elektrostatische krachten op lange afstand met behulp van de deeltjes-deeltjes-deeltjes-mesh-methode. Om de potentiële parameters in Vgl. (1), het TIP3P-model is aangenomen voor H₂ O-moleculen [33]; voor decaanmoleculen wordt het OPLS-AA-krachtveld aangenomen [34]; voor het siliciumdioxidesubstraat wordt het CVFF-krachtveld aangenomen [35]. De niet-gebonden potentiële parameters die in het simulatiesysteem worden gebruikt, staan vermeld in tabel 1. De Lorentz-Berthelot-regel wordt gebruikt om de potentiële parameters tussen kruisende atomen te verkrijgen. De bindingsinteracties en dihedrale interacties tussen quadruplets van atomen in een enkel molecuul worden ook goed overwogen. Voor de bindingsinteracties wordt het harmonische model toegepast, terwijl voor de dihedrale interacties het OPLS-potentiaalmodel wordt toegepast [36].

Berekening van contacthoek

De bevochtigbaarheid van het siliciumdioxide-oppervlak wordt gekenmerkt door de oliecontacthoek, die wordt verkregen op basis van de dichtheidsverdelingen van oliemoleculen in de nanodruppeltjes. In de eerdere fase van de simulaties evolueert de oliedruppel van een kubus naar een halve cilinder en bereikt een evenwichtstoestand; dit evenwichtsproces duurt gewoonlijk twee miljoen tijdstappen, wat kan worden bevestigd door de tijdsvariatie van het massacentrum van oliedruppeltjes. In de evenwichtstoestand blijft de coördinaat van het massamiddelpunt constant in de z -richting. Omdat de dichtheidsverdeling van oliemoleculen moet worden gemiddeld voor de evenwichtsolie-waterconfiguraties, om dubbel zeker te zijn, verzamelen we alleen de atomaire coördinaten in de laatste een miljoen tijdstappen om de dichtheidsverdelingen te verkrijgen. Om de dichtheid van het molecuulgetal te middelen, wordt de olie/water-zone verdeeld in veel regelmatige kubische cellen met een grootte van 2 × 2 × 2 Å³ . Door tijdig het gemiddelde te nemen van het aantal atomen dat in elke cel verscheen, werden de 3D-contour en de 2D-contour in de x -z vlak van de dichtheidsverdelingen van olie-nanodruppeltjes kan worden verkregen. Opgemerkt wordt dat de 2D-contour in de x -z vlak wordt verkregen door de 3D-contour verder te middelen in de y -richting. Met de 2D-contour wordt het olie-watergrensvlak geïdentificeerd op basis van de volgende regel; aan het grensvlak is de getalsdichtheid van olie-atomen in de grensvlakcellen de helft van de dichtheid in de bulkfasecellen van oliedruppeltjes (ρ _b ). Gezien de dikte van het grensvlak, worden de locaties van dergelijke cellen gedefinieerd als grensvlak als de dichtheden in de cellen in het bereik liggen van 0,2ρ _b tot 0,8ρ _b . Door de bovenstaande methode te gebruiken, kunnen de discrete punten op de interface worden geïdentificeerd. Ten slotte verkrijgen we het interfaceprofiel door deze discrete punten als een cirkel te plaatsen en de contacthoek van de oliedruppels te berekenen. In het beslag is de middenpositie (x ₀ , z ₀ ) en de straal r van de cirkel noodzakelijkerwijs worden verkregen. De contacthoek θ kan worden berekend als θ = arccos(d /r ), waar d is de afstand tussen het middelpunt van de cirkel en de basislijn van het rotsoppervlak in de z -richting (d = z _b − z ₀ , z _b is de z -positie van de basislijn, z _b = 12.16 ). Als de afstand een negatieve waarde is, bevindt het middelpunt van de cirkel zich op de bovenkant van het rotsoppervlak en is de contacthoek zeker groter dan 90 °. De volledige berekeningsprocedures van de contacthoek zijn expliciet weergegeven in Fig. 2. Om de contacthoek op zo'n manier te verkrijgen, volstaat het om de cilindrische oliedruppel in het Cartesiaanse coördinatensysteem te analyseren.

Vanwege het gebrek aan effectieve gegevens over de contacthoeken van met water omgeven oliedruppeltjes op siliciumdioxidesubstraten, valideren we ons simulatiemodel door de contacthoeken van sferische waterdruppeltjes op siliciumdioxidesubstraten te vergelijken. We voeren een individuele simulatie uit om de contacthoek van een waternanodruppel met 4179 moleculen te verkrijgen. Opgemerkt wordt dat in de validatiesimulatie de hydroxylgroepen op het oppervlak van siliciumdioxidesubstraten worden gefixeerd zoals bij andere representatieve werken. De gemeten contacthoek is 7,8°, wat goed overeenkomt met die in het werk van Pafong et al. [37]. Ze rapporteerden een watercontacthoek van 7,0°, wat een relatieve afwijking van slechts 10,3% oplevert. Deze goede overeenkomst geeft aan dat ons simulatiemodel en onze methode betrouwbaar zijn.

Resultaten en discussie

Contacthoek

Door de contacthoeken van cilindrische oliedruppels te berekenen, kunnen de variaties van contacthoek met oppervlakteladingsdichtheid worden verkregen, zoals weergegeven in Fig. 3. Uit deze figuur is duidelijk te zien dat de contacthoek sterk afhankelijk is van de oppervlaktelading dikte; van het negatief geladen oppervlak naar het positief geladen oppervlak, de contacthoek van oliedruppeltjes neemt aanzienlijk toe. Dit betekent dat het gesteenteoppervlak verandert van olie-natte toestand naar water-natte toestand als de oppervlaktelading toeneemt van negatieve waarden naar positieve waarden. De gemiddelde dichtheidscontouren in de x -z vlak met verschillende oppervlakteladingsdichtheden zijn ook in deze figuur ingevoegd om een intuïtief begrip te krijgen van de variatie in oppervlaktebevochtigbaarheid.

Variatie van contacthoeken met de oppervlakteladingsdichtheid. De contourafbeeldingen van oliedruppels met verschillende oppervlakteladingsdichtheden zijn ook ingevoegd

We kunnen ook uit Fig. 3 zien dat het rotsoppervlak een zeer duidelijke water-natte toestand vertoont naarmate de ladingsdichtheid van het oppervlak toeneemt tot 0,992 e/nm² . Onder deze kritische waarde is de variatie van de contacthoek met de oppervlakteladingsdichtheid niet duidelijk; boven deze kritische waarde reikt de contacthoek tot 78,8° en is de water-natte toestand zeer duidelijk. Aangenomen wordt dat de variatie van de contacthoek met de oppervlaktelading wordt veroorzaakt door de verandering van de intensies van water-siliciumdioxide en olie-siliciumdioxide, omdat de oppervlaktelading de interacties tussen water-siliciumdioxide en de interacties tussen olie-siliciumdioxide beïnvloedt. dioxide. Er moet met name worden opgemerkt dat de simulatieresultaten op basis van dit ideale systeem niet direct kunnen worden vergeleken met de experimentele studies voor het onthullen van de saliniteitsafhankelijke bevochtigbaarheid in de olie-water-gesteente-systemen. In de experimentele studies kunnen de kationen in de waterfase het elektrische potentiaal van gesteenteoppervlakken wijzigen van negatief naar positief, maar het is zeker niet hun enige effect. De andere mogelijke effecten van kationen kunnen multi-ionenuitwisseling en dubbellaagse expansie enz. omvatten [21, 38,39,40]. Daarom is het totaal anders voor de gevallen van verandering van de oppervlaktelading en verandering van de concentratie van de kationen in water. Dienovereenkomstig kunnen de variatietrends van contacthoeken met de oppervlakteladingsdichtheid en de concentratie van kationen verschillen. In deze simulatiestudie bespreken we alleen het effect van partiële ladingen op het siliciumdioxide-oppervlak op de driefasige bevochtigbaarheid in een zeer ideaal olie-water-gesteentesysteem. Deze resultaten kunnen de mechanismen van overstromingen met een laag zoutgehalte niet direct onthullen en de toepassingen ervan bij verbeterde oliewinning begeleiden, maar ze kunnen basisbegrippen verschaffen over hoe de oppervlakteladingen de driefasige bevochtigbaarheid beïnvloeden. Deze studie is nog steeds van belang omdat het de diepgaande rol van oppervlakteladingen op de driefasige bevochtigbaarheid in een water-decaan-siliciumdioxidesysteem onthult.

Densiteitsverdeling

Om de mechanismen van de ladingsdichtheidsafhankelijke contacthoek te onthullen, analyseren we de dichtheidsverdelingen van oliemoleculen langs de hoogterichting (z -richting). Figuur 4a geeft de gemiddelde dichtheid van oliemoleculen in elke laag met een breedte van 0,2 nm in de hoogterichting. Zoals te zien is in deze figuur, is de oliedichtheid aan de onderkant van de cilindrische druppel (d.w.z. nabij het substraatoppervlak) hoog en vertoont deze fluctuatieverdelingen; dit fenomeen houdt in dat de oliemoleculen in gelaagde structuur op de substraatoppervlakken worden geadsorbeerd. Aan de bovenkant van de cilindrische druppel daalt de gemiddelde dichtheid tot een waarde van nul tot bijna nul, omdat de boogvormige bovenkant van de druppel ervoor zorgt dat het aantal oliemoleculen in de parallelle lagen steeds kleiner wordt naarmate de lagen de bovenkant van de druppel naderen. de druppel. Ondertussen kunnen we ontdekken dat, naarmate de oppervlakteladingen veranderen van negatieve waarden in positieve waarden, de getalsdichtheid in de adsorptielagen geleidelijk afneemt; dit geeft aan dat de adsorptie-intensiteit van oliemoleculen verzwakt met toenemende oppervlakteladingen. De verzwakkende adsorptie van oliemoleculen betekent verder een kleiner contactoppervlak tussen het substraatoppervlak en de oliedruppel en dienovereenkomstig een grotere contacthoek van de oliedruppel. De toenemende contacthoeken van de oliedruppels kunnen ook worden weerspiegeld door de variatie van de hoogte van oliedruppels met de oppervlakteladingen. Zoals te zien is in figuur 4a, neemt de hoogte van de oliedruppel toe met toenemende oppervlakteladingen; dit betekent dat bij hogere oppervlakteladingen de oliedruppels slanker zijn en de contacthoeken groter. De verzwakkende adsorptie van oliemoleculen bij positieve oppervlakteladingen kan worden bevestigd door de systeemenergie van de water-decaan-siliciumdioxide-systemen. Zoals weergegeven in figuur 4b, neemt de tijdmiddelende systeemenergie toe met toenemende oppervlakteladingen. Hoe hoger de positieve systeemenergie, hoe zwakker de aantrekkingen tussen oliemoleculen en siliciumdioxide. De ingevoegde figuur toont de tijdsvariaties van de systeemenergie voor het neutrale siliciumdioxide-oppervlak.

een Dichtheidsverdelingen van oliemoleculen langs de z -richting; b Tijdgemiddelde systeemenergie bij verschillende oppervlakteladingsdichtheid

De variatie van contacthoek met oppervlaktelading kan ook worden weerspiegeld uit de dichtheidsverdelingen van het molecuulgetal langs de x -richting. Zoals weergegeven in Afb. 5, zijn de getalsdichtheidsverdelingen langs de x -richting in de x -j vlak met een hoogte van 1,9 nm in de z -direction presenteert een platform in het centrale deel. De breedte van het platform is gerelateerd aan de doorsnede van de druppel in de x -j vlak, terwijl de hoogte van het platform gerelateerd is aan de moleculaire dichtheid in de druppeltjes. De breedte en hoogte van het platform variëren duidelijk bij verschillende oppervlakteladingen, die overeenkomen met de verschillende vormen van cilindrische druppels en natuurlijk de verschillende contacthoeken. Voor de lagere contacthoeken is het platform breder; voor de hogere contacthoeken is het platform smaller. Opgemerkt wordt dat de hoogte van het platform voor de oppervlakteladingsdichtheid 7,936 e/nm² is bijzonder laag, omdat nabij het siliciumdioxide-oppervlak de dichtheidsverdelingen een grote fluctuatie hebben (zie figuur 4a) en, in sommige gevallen, de moleculaire dichtheden op een hoogte van 1,9 nm bevinden zich juist op de dieptepunten van de dichtheidsverdelingen.

Dichtheidsverdelingen van oliemoleculen langs de x -richting in de x -j vlak met een hoogte van 1,9 nm in de z -richting

We verkrijgen ook de dichtheidsverdelingen van negatieve ladingen van de atomen in de cilindrische druppeltjes, zoals weergegeven in Fig. 6. Kortom, de negatieve ladingen vertonen een zeer niet-uniforme verdeling. In de zones aangrenzend aan het siliciumdioxide-oppervlak is de dichtheid van negatieve ladingen extreem hoog, terwijl in de zones ver weg van het siliciumdioxide-oppervlak de negatieve ladingen gelijkmatig verdeeld worden. Ondertussen verdelen de negatieve ladingen zich in de zones met hoge dichtheid naast het siliciumdioxide-oppervlak laag voor laag. De gelaagde verdeling van negatieve ladingen is direct gerelateerd aan de gelaagde structuur van oliemoleculen nabij het siliciumdioxide-oppervlak, omdat de negatieve ladingen direct associëren met de koolstofatomen in oliemoleculen. Bovendien kunnen we ontdekken dat de dichtheidsverdelingen van negatieve ladingen een kleine diversiteit hebben bij verschillende oppervlakteladingsdichtheden. Naarmate de oppervlakteladingsdichtheid toeneemt, wordt de gelaagde verdeling van negatieve ladingen steeds onduidelijker. Dit heeft te maken met de verminderde contactoppervlakken van de nanodruppels met de siliciumdioxide-oppervlakken; bij hoge oppervlakteladingsdichtheden worden de contactgebieden verminderd en wordt de gelaagde structuur van oliemoleculen onopvallend vanwege de verzwakte solvatatie-interacties.

Negatieve ladingsdichtheidsverdelingen binnen de cilindrische oliedruppeltjes in de x -z vlak. een − 1.984 e/nm² . b − 0.992 e/nm² . c − 0.1984 e/nm² . d 0,0 e/nm² . e 0.1984 e/nm² . v 0,992 e/nm² . g 1.984 e/nm² . u 3.968 e/nm² . ik 5.952 e/nm² . j 7.936 e/nm²

Moleculaire structuur

De moleculaire structuren in het water-decaan-siliciumdioxidesysteem zijn ook erg belangrijk voor het begrip van de driefasenbevochtigbaarheid. We proberen de moleculaire structuren van olie en water te analyseren vanuit de radiale verdelingsfunctie (RDF, g (r ) [41]) en de moleculaire oriëntaties. Figuur 7 geeft de RDF-verdelingen van olie- en watermoleculen en de oriëntaties van oliemoleculen op het neutrale siliciumdioxide-oppervlak. De RDF-verdelingen van OO- en C-C-atoomparen zijn totaal verschillend (zie figuur 7a), namelijk dat de RDF-verdelingen van C-C-atomen meer golven hebben dan die van O-O-atomen en de piekwaarden van de golven voor C-C-atomen zijn hoger. In combinatie met de fysische betekenissen van RDF-functies kan gemakkelijk worden geconcludeerd dat de oliemoleculen met meerdere lagen sterk worden geadsorbeerd op de siliciumdioxide-oppervlakken, terwijl de watermoleculen zwak worden geadsorbeerd en er slechts één adsorptielaag verschijnt. Het adsorptieverschijnsel is ook te zien op de ingevoegde kaarten in figuur 7a, waar de evenwichtsmomentopnamen van olie- en watermoleculen op het neutrale siliciumdioxide-oppervlak worden weergegeven. De voor de hand liggende adsorptielagen van oliemoleculen kunnen worden bevestigd aan de hand van de nummerdichtheidsverdelingen in figuur 4a. Over het algemeen is de gelaagde structuur van vloeibare moleculen op een vast oppervlak gerelateerd aan de vloeistof-vaste stof interacties. Voor de sterke vloeistof-vaste stof interacties verdelen de vloeibare moleculen nabij het vaste oppervlak zich laag voor laag langs de richting loodrecht op het oppervlak, terwijl voor de zwakke vloeistof-vaste stof interacties de gelaagde structuur van vloeibare moleculen niet erg duidelijk is [42] ]. In deze studie zijn de interacties tussen water en siliciumdioxide relatief zwakker in vergelijking met die tussen olie en siliciumdioxide. De gelaagde structuur van oliemoleculen nabij het vaste oppervlak is dus duidelijker dan die van watermoleculen.

Moleculaire structuren op het neutrale siliciumdioxide-oppervlak. een RDF-verdelingen van olie- en watermoleculen. b Oriëntaties van oliemoleculen op verschillende hoogten in de z -richting

Om de oriëntaties van de oliemoleculen met lange keten op de siliciumdioxide-oppervlakken verder weer te geven, verkrijgen we de hoeken tussen oliemoleculen en siliciumdioxide-oppervlakken voor de moleculen die zich op verschillende hoogten in de z bevinden -richting, zoals weergegeven in Fig. 7b. De hoek θ wordt gedefinieerd als de kruisingshoek tussen de basislijn van het siliciumdioxide-oppervlak en de hartlijn van een oliemolecuul, waarbij de hartlijn wordt gedefinieerd als de gemiddelde lijn van de verbindingslijn tussen C1 en C6 en de verbindingslijn tussen C1 en C10 . Het volgnummer van koolstofatomen in een oliemolecuul wordt gestart vanaf één uiteinde van het molecuul, dat meer aangrenzend is aan het siliciumdioxide-oppervlak. De definitie van hoek θ is ook ingevoegd in figuur 7b. Zoals te zien is in deze figuur, zijn de hoeken voor de meeste oliemoleculen erg klein, vooral voor de oliemoleculen nabij het siliciumdioxide-oppervlak. Dit betekent dat de oliemoleculen worden geadsorbeerd op het siliciumdioxide-oppervlak met een oriëntatie evenwijdig aan het oppervlak. Dit fenomeen kan ook worden bevestigd door de ingevoegde kaarten in Fig. 7a.

Conclusies

Met behulp van MD-simulaties bestuderen we de effecten van oppervlakteladingsdichtheid op de oliecontacthoeken in een water-decaan-siliciumdioxidesysteem. De resultaten laten zien dat de contacthoek van olie-nanodruppeltjes aanzienlijk toeneemt naarmate de oppervlaktelading toeneemt van negatieve naar positieve waarden. Aangezien de oppervlakteladingsdichtheid een kritische waarde van 0,992 e/nm² overschrijdt , de contacthoek reikt tot 78,8° en de water-natte toestand is zeer duidelijk. De variatie van contacthoeken kan worden bevestigd aan de hand van de dichtheidsverdelingen van oliemoleculen langs de x - en z -routebeschrijving. De afnemende getalsdichtheid van oliemoleculen in de adsorptielagen en de toenemende hoogte van oliedruppeltjes betekenen beide een grotere contacthoek van oliedruppeltjes bij hogere oppervlakteladingsdichtheden. Vanwege de gelaagde structuur van oliemoleculen nabij het siliciumdioxide-oppervlak, verdelen de negatieve ladingen naast het siliciumdioxide-oppervlak in de oliedruppeltjes zich ook laag voor laag. Naarmate de oppervlakteladingsdichtheid toeneemt, wordt de gelaagde verdeling van negatieve ladingen (oliemoleculen) steeds onduidelijker vanwege de verzwakte olie-siliciumdioxide-interacties. De RDF-verdelingen van olie- en watermoleculen en de moleculaire oriëntatieverdelingen laten ook zien dat de oliemoleculen laag voor laag op de siliciumdioxide-oppervlakken worden geadsorbeerd met een oriëntatie parallel aan de oppervlakken. Deze resultaten hebben significante implicaties voor het begrip van verandering van de bevochtigbaarheid veroorzaakt door ionen en andere chemische agentia in de waterfase, met name voor het begrip van de diepgaande rol van oppervlakteladingen op de driefasige bevochtigbaarheid in een water-decaan-siliciumdioxidesysteem.

Afkortingen

CVFF:: Consistent valentiekrachtveld
EOR:: Verbeterde olieterugwinning
LAMMPS:: Grootschalige atomaire/moleculaire massaal parallelle simulator
MD:: Moleculaire dynamiek
OPLS-AA:: Optimized potentials for liquid simulations all-atom force field
RDF:: Radial distribution function

Manipuleren van de temperatuur van zwaveling om α-NiS-nanosfeerfilm te synthetiseren voor langdurig behoud van niet-enzymatische glucosesensoren Elektronische structuur en IV-kenmerken van InSe Nanoribbons

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal