Ângulos de contato do óleo em um sistema água-decano-dióxido de silício:efeitos da carga superficial

Resumo

A molhabilidade do óleo nos sistemas água-óleo-rocha é muito sensível à evolução das cargas superficiais nas superfícies das rochas induzidas pela adsorção de íons e outros agentes químicos em inundações de água. Por meio de um conjunto de simulações de dinâmica molecular em grande escala, revelamos os efeitos da carga superficial nos ângulos de contato do óleo em um sistema ideal de água-decano-dióxido de silício. Os resultados mostram que os ângulos de contato das nanogotas de óleo dependem muito das cargas superficiais. Como a densidade de carga da superfície excede um valor crítico de 0,992 e / nm ² , o ângulo de contato atinge até 78,8 ° e o estado úmido é muito aparente. A variação dos ângulos de contato pode ser confirmada a partir das distribuições de densidade numérica das moléculas de óleo. Com o aumento da densidade de carga superficial, a adsorção de moléculas de óleo enfraquece e as áreas de contato entre as nanogotas e a superfície de dióxido de silício são reduzidas. Além disso, as distribuições de densidade numérica, distribuições de RDF e orientações moleculares indicam que as moléculas de óleo são adsorvidas na superfície de dióxido de silício camada por camada com uma orientação paralela à superfície. No entanto, a estrutura em camadas das moléculas de óleo perto da superfície do dióxido de silício torna-se cada vez mais obscura em densidades de carga de superfície mais altas.

Histórico

A recuperação aprimorada de petróleo (EOR) está se tornando cada vez mais importante com as crescentes dificuldades na extração de petróleo bruto de reservatórios de petróleo [1, 2]. Entre as várias técnicas de EOR, a inundação de água é uma abordagem dominante devido ao seu baixo custo e alta eficiência. A inundação de água é um processo multiescala, incluindo os processos de digitação viscosos nos reservatórios porosos ou os processos de fluxo de duas fases em que o petróleo bruto é deslocado pela água injetada em canais microfluídicos. Como resultado, a inundação de água é controlada por vários fatores, desde a escala dos poros até a escala do reservatório. Devido às grandes proporções superfície-volume dos reservatórios de óleo e aos baixos números capilares do processo de deslocamento de óleo, a molhabilidade do óleo e da água nas superfícies de rocha porosa tem um grande impacto nos fluxos de duas fases óleo-água no óleo reservatórios. Portanto, a molhabilidade das superfícies rochosas é crucial para a eficiência da recuperação de óleo [3,4,5].

Geralmente, a superfície da rocha molhada com água é benéfica para o deslocamento de óleo; no entanto, a superfície da rocha inicialmente parece úmida com óleo para a adsorção de moléculas polares de óleo crucial e outros. Assim, a alteração da molhabilidade das superfícies das rochas de úmido com óleo para úmido com água é muito importante para as técnicas de EOR. Na inundação de água, as pessoas geralmente adicionam artificialmente alguns agentes químicos (por exemplo, surfactantes, polímeros, íons, nanopartículas) na água injetada para perceber a alteração da molhabilidade [6,7,8,9,10,11]. Por exemplo, os surfactantes dissolvidos na água injetada podem alterar a molhabilidade das rochas reservatório para um estado mais úmido; é geralmente aceito que a formação de pares iônicos e a adsorção de moléculas de surfactante por meio das interações com os componentes do óleo cru adsorvido em superfícies rochosas são os dois principais mecanismos responsáveis ​​pela alteração da molhabilidade induzida por surfactante [12]. Para o alagamento de água de baixa salinidade, a expansão de camada dupla ao reduzir a salinidade e a troca iônica multicomponente são dois mecanismos competidores específicos para a alteração da molhabilidade de reservatórios de arenito [13, 14]. Enquanto para a inundação de água à base de nanopartículas, a auto-estratificação e a estruturação de baixa dimensão das nanopartículas na região da linha de contato trifásica exercem uma pressão de separação estrutural para a fase de óleo e, finalmente, promovem as superfícies de rocha úmida de óleo alterando-se para água -estado úmido [15,16,17,18].

Independentemente da variedade de técnicas de inundação, o mecanismo essencial de alteração da molhabilidade é a mudança das interações trifásicas entre água-óleo-rocha induzida pelos agentes químicos injetados. Para as interações água-óleo-rocha, as interações eletrostáticas desempenham um papel profundo na alteração da molhabilidade, pois os agentes químicos podem se adsorver nas superfícies da rocha e, posteriormente, alterar as cargas superficiais. Por exemplo, os cátions divalentes podem promover a ligação de componentes de óleo ácido a superfícies de rocha carregadas negativamente e, consequentemente, modificar o potencial elétrico das superfícies de rocha de negativo para positivo [19,20,21,22]. Enquanto isso, a própria química da água pode afetar as cargas nas superfícies das rochas [23]. Assim, a carga superficial é definitivamente um dos fatores mais importantes que afetam a molhabilidade das superfícies rochosas. Puah et al. [24] mostraram que a carga superficial afetou tanto a molhabilidade estática quanto a cinética de umedecimento de superfícies sólidas. Eles confirmaram ainda que o ângulo de contato estático diminuiu acima e abaixo do ponto de carga superficial zero de uma maneira semelhante a Lippman, enquanto os dados do ângulo de contato dinâmico podem ser bem descritos pela teoria cinética molecular.

Como a molhabilidade trifásica está diretamente relacionada às interações moleculares entre água-óleo-rocha, um estudo de visão molecular é muito necessário para revelar os efeitos da carga superficial na molhabilidade das superfícies rochosas [25, 26]. Neste artigo, construímos uma superfície de dióxido de silício para modelar as superfícies de rocha de silicato e estudar sua molhabilidade trifásica considerando as cargas superficiais usando o método de simulação de dinâmica molecular (MD). Espera-se que os efeitos da carga superficial e seus mecanismos subjacentes sejam revelados a partir dos aspectos das distribuições de densidade de número molecular, estrutura molecular em superfícies de rocha, etc.

Métodos

Sistema de simulação

Nós estudamos a molhabilidade trifásica em um sistema modelo, onde o óleo é modelado como decano, enquanto a rocha é modelada como dióxido de silício. Em particular, a superfície de dióxido de silício pode representar bem os reservatórios de arenito [11, 27, 28]. Para calcular o ângulo de contato do óleo, o óleo é encerrado na água como uma gota cilíndrica (ver Fig. 1). Para a gota de óleo cilíndrica, os efeitos da tensão da linha no cálculo do ângulo de contato podem ser eliminados. Para construir o substrato de dióxido de silício, um conjunto de células unitárias trigonais de quartzo α é montado nas direções [100], [010] e [001], respectivamente. Então, o cristal de quartzo α é transformado de um romboedro em um cubo com um tamanho de 15 × 15 × 1 nm ³ . Muita atenção deve ser dada para obter uma estrutura de superfície realista; o mesmo que o procedimento de Puibasset et al. [29], o cristal é primeiramente cortado ao longo da face cristalográfica (111) e os átomos de silício nos tetraedros incompletos são removidos. Então, os átomos de oxigênio não-ponte, que estão ligados a apenas um átomo de silício, são saturados com átomos de hidrogênio. A saber, os lados superior e inferior do substrato de dióxido de silício estão ambos saturados com átomos de hidrogênio. Portanto, simplesmente alteramos a carga superficial adicionando cargas parciais aos átomos de hidrogênio superiores na superfície do dióxido de silício, enquanto todo o sistema é mantido neutralizado pela adição de cargas parciais equivalentes com valores inversos aos átomos de hidrogênio inferiores. As estruturas de decano e moléculas de água também são mostradas na Fig. 1.

Ilustração esquemática do sistema de simulação. Vista lateral do sistema de simulação com um cubo de óleo rodeado por água no topo do substrato de dióxido de silício (esquerda) e vistas atômicas de decano e moléculas de água (direita)

Conforme mostrado na Fig. 1, a água e o óleo são inicialmente dispostos no topo do substrato de dióxido de silício e o cubo de óleo é circundado por três cubos de água com tamanhos diferentes. O cubo de óleo tem uma dimensão de 5 × 15 × 5 nm ³ e está localizado na parte central do substrato. As dimensões dos cubos de água do lado esquerdo e direito são iguais às do cubo de óleo, enquanto que as do cubo de água do lado superior são 15 × 15 × 5 nm ³ . O número de moléculas de água e decano é determinado pelos tamanhos dos cubos e pelas densidades de água e óleo na condição de 300 K e 1 bar. As densidades de água e óleo são 1.000 e 0,725 g / cm ³ , respectivamente; consequentemente, o número de moléculas de água e decano é 58.319 e 1150, respectivamente. O arranjo das moléculas é implementado no software Material Studio; originalmente, eles são distribuídos aleatoriamente nas caixas especiais. Em seguida, um cálculo de minimização de energia é realizado para otimizar a geometria molecular. Conforme a simulação atinge um estado de equilíbrio, a caixa de óleo evolui para uma gota cilíndrica, enquanto as três caixas de água podem se fundir formando uma fase contínua em torno da gota de óleo.

Modelo MD

Nossas simulações de MD são realizadas utilizando a plataforma de LAMMPS (simulador atômico / molecular massivamente paralelo em larga escala). As simulações são conduzidas em um conjunto NVT com uma temperatura de 300 K. As simulações rodam totalmente por 5 milhões de passos de tempo com um intervalo de tempo de 1 fs. As coordenadas atômicas são registradas a cada 10.000 passos de tempo para observar a evolução das gotas de óleo e, finalmente, calcular os ângulos de contato. O sistema pode atingir um estado de equilíbrio em cerca de dois milhões de passos de tempo, conforme mostrado na Fig. 2. Assim, as coordenadas atômicas durante o um milhão de passos de tempo finais são adotadas para calcular a média das distribuições de densidade numérica molecular. Condições de limite periódicas são aplicadas no x - e y -direcções, enquanto a condição de limite reflexiva é aplicada no z -direção. Durante as simulações, os átomos de SiO em massa ₂ são fixos, mas os átomos O e H da superfície são flexíveis sob o controle do termostato Nose-Hoover.

Procedimentos de cálculo para os ângulos de contato de gotas de óleo cilíndricas

As interações atômicas entre água-decano-dióxido de silício são todas modeladas pelo potencial de Lennard-Jones 12-6 acoplado a um termo polar para considerar as forças de Van der Waal e Coulombic [30,31,32], como segue:
$$ \ phi \ left ({r} _ {ij} \ right) =\ left \ {\ begin {array} {ll} 4 \ varepsilon \ left [{\ left (\ frac {\ sigma} {r_ {ij }} \ right)} ^ {12} - {\ left (\ frac {\ sigma} {r_ {ij}} \ right)} ^ 6 \ right] + \ frac {Cq_i {q} _j} {\ chi { r} _ {ij}} &\ left ({r} _ {ij} <{r} _ {\ mathrm {cut}} \ right) \\ {} 0 &\ left ({r} _ {ij} \ ge {r} _ {\ mathrm {cut}} \ right) \ end {array} \ right. $$ (1)
onde ε é o parâmetro de energia, σ é o parâmetro de comprimento, q _i e q _j são as cargas nos átomos i e j , C é a constante eletrostática, e χ é a constante dielétrica. R _cortar é a distância de corte para as forças eletrostáticas de Van der Waal e de curto alcance. A distância de corte é definida como 10 Å. Nas simulações, as forças eletrostáticas de longo alcance são consideradas usando o método partícula-partícula partícula-malha. Para obter os parâmetros potenciais na Eq. (1), o modelo TIP3P é adotado para H ₂ Moléculas O [33]; para moléculas de decano, o campo de força OPLS-AA é adotado [34]; para o substrato de dióxido de silício, o campo de força CVFF é adotado [35]. Os parâmetros de potencial não ligado usados ​​no sistema de simulação estão listados na Tabela 1. A regra de Lorentz-Berthelot é usada para obter os parâmetros de potencial entre átomos que se cruzam. As interações de ligação e diédricas entre quádruplos de átomos em uma única molécula também são consideradas adequadamente. Para as interações de ligação, o modelo harmônico é aplicado, enquanto para as interações diédricas, o modelo de potencial OPLS é aplicado [36].

Cálculo do ângulo de contato

A molhabilidade da superfície do dióxido de silício é caracterizada pelo ângulo de contato do óleo, que é obtido com base nas distribuições de densidade das moléculas de óleo nas nanogotas. No estágio anterior das simulações, a gota de óleo evolui de um cubo para um semicilindro e atinge um estado de equilíbrio; esse processo de equilíbrio geralmente leva dois milhões de passos de tempo, o que pode ser confirmado pela variação de tempo do centro de massa das gotas de óleo. No estado de equilíbrio, a coordenada do centro de massa se mantém constante no z -direção. Como a distribuição da densidade das moléculas de óleo precisa ser calculada para as configurações de equilíbrio entre óleo e água, para ter certeza absoluta, nós apenas coletamos as coordenadas atômicas no último milhão de passos de tempo para obter as distribuições de densidade. Para calcular a média das densidades de número molecular, a zona de óleo / água é dividida em muitas células cúbicas regulares com um tamanho de 2 × 2 × 2 Å ³ . Ao calcular a média oportuna do número de átomos que apareceram em cada célula, o contorno 3D e o contorno 2D no x - z plano das distribuições de densidade de nano-gotículas de óleo pode ser obtido. Observa-se que o contorno 2D no x - z plano é obtido pela média adicional do contorno 3D no y -direção. Com o contorno 2D, a interface óleo-água é identificada com base na seguinte regra; na interface, a densidade do número de átomos de óleo nas células de interface é metade da densidade nas células de fase a granel de gotículas de óleo ( ρ _b ) Considerando a espessura da interface, as localizações de tais células são definidas como interface se as densidades nas células estiverem na faixa de 0,2 ρ _b a 0,8 ρ _b . Usando o método acima, os pontos discretos na interface podem ser identificados. Finalmente, obtemos o perfil da interface ajustando esses pontos discretos como um círculo e calculamos o ângulo de contato das gotas de óleo. No encaixe, a posição central ( x ₀ , z ₀ ) e o raio r do círculo são necessariamente obtidos. O ângulo de contato θ pode ser calculado como θ =Arccos ( d / r ), onde d é a distância entre o centro do círculo e a linha de base da superfície da rocha no z -direcção ( d = z _b - z ₀ , z _b é o z -posição da linha de base, z _b =12,16 Å). Se a distância for um valor negativo, o centro do círculo está no topo da superfície da rocha e o ângulo de contato definitivamente excede 90 °. Todos os procedimentos de cálculo do ângulo de contato estão explicitamente representados na Fig. 2. Para obter o ângulo de contato desta forma, basta analisar a gota de óleo cilíndrica no sistema de coordenadas cartesianas.

Devido à falta de dados eficazes sobre os ângulos de contato de gotas de óleo circundadas por água em substratos de dióxido de silício, validamos nosso modelo de simulação comparando os ângulos de contato de gotas esféricas de água em substratos de dióxido de silício. Realizamos uma simulação individual para obter o ângulo de contato de uma nanogota de água com 4179 moléculas. Nota-se que na simulação de validação, os grupos hidroxila na superfície dos substratos de dióxido de silício são fixados como outros trabalhos representativos realizados. O ângulo de contato medido é de 7,8 °, o que está de acordo com o trabalho de Pafong et al. [37]. Eles relataram um ângulo de contato com a água de 7,0 °, que apresenta um desvio relativo de apenas 10,3%. Essa boa concordância indica que nosso modelo e método de simulação são confiáveis.

Resultados e discussão

Ângulo de contato

Calculando os ângulos de contato das gotículas de óleo cilíndricas, podem-se obter as variações do ângulo de contato com a densidade de carga superficial, conforme mostrado na Fig. 3. Pode-se ver claramente nesta figura que o ângulo de contato tem grande dependência da carga superficial densidade; da superfície carregada negativamente para a superfície carregada positivamente, o ângulo de contato das gotículas de óleo aumenta significativamente. Isso significa que a superfície da rocha muda do estado úmido com óleo para o estado úmido com água à medida que a carga superficial aumenta de valores negativos para valores positivos. Os contornos de densidade média no x - z plano em várias densidades de carga de superfície também são inseridos nesta figura para se ter uma compreensão intuitiva da variação da molhabilidade da superfície.

Variação dos ângulos de contato com a densidade de carga superficial. As imagens de contorno de gotículas de óleo em diferentes densidades de carga de superfície também são inseridas

Também podemos descobrir na Fig. 3 que a superfície da rocha apresenta um estado muito óbvio de umidade com água, pois a densidade de carga da superfície aumenta até 0,992 e / nm ² . Abaixo deste valor crítico, a variação do ângulo de contato com a densidade de carga superficial não é óbvia; além desse valor crítico, o ângulo de contato atinge até 78,8 ° e o estado úmido é muito aparente. Acredita-se que a variação do ângulo de contato com a carga superficial seja causada pela mudança das intenções de água-dióxido de silício e óleo-dióxido de silício, pois a carga superficial afeta as interações água-dióxido de silício e as interações óleo-silício. dióxido. Deve-se notar particularmente que os resultados da simulação com base neste sistema ideal não podem ser comparados diretamente com os estudos experimentais para revelar a molhabilidade dependente da salinidade nos sistemas óleo-água-rocha. Nos estudos experimentais, os cátions na fase aquosa podem ter o efeito de modificar o potencial elétrico das superfícies das rochas de negativo para positivo, mas definitivamente não é o único efeito. Os outros efeitos potenciais de cátions podem incluir troca multi-iônica e expansão de camada dupla, etc. [21, 38,39,40]. Portanto, é totalmente diferente para os casos de alteração da carga superficial e alteração da concentração dos cátions na água. Consequentemente, as tendências de variação dos ângulos de contato com a densidade de carga superficial e a concentração de cátions podem ser diferentes. Neste estudo de simulação, discutimos apenas o efeito de cargas parciais na superfície de dióxido de silício na molhabilidade trifásica em um sistema óleo-água-rocha muito ideal. Esses resultados não podem revelar diretamente os mecanismos de inundação de água de baixa salinidade e orientar suas aplicações na recuperação aprimorada de óleo, mas podem fornecer entendimentos básicos sobre como as cargas superficiais afetam a molhabilidade trifásica. Este estudo ainda é significativo porque revela os papéis profundos das cargas superficiais na molhabilidade trifásica em um sistema água-decano-dióxido de silício.

Distribuição de densidade

Para revelar os mecanismos do ângulo de contato dependente da densidade de carga, analisamos as distribuições de densidade das moléculas de óleo ao longo da direção da altura ( z -direção). A Figura 4a fornece a densidade média das moléculas de óleo em cada camada com uma largura de 0,2 nm ao longo da direção da altura. Como pode ser visto nesta figura, na parte inferior da gota cilíndrica (ou seja, próximo à superfície do substrato), a densidade do óleo é alta e apresenta distribuições de flutuação; este fenômeno significa que as moléculas de óleo são adsorvidas nas superfícies do substrato na estrutura em camadas. No topo da gota cilíndrica, a densidade média cai para um valor próximo de zero, porque o topo em forma de arco da gota torna o número de moléculas de óleo nas camadas paralelas cada vez menor conforme as camadas se aproximam do topo de a gota. Enquanto isso, podemos descobrir que, à medida que as cargas superficiais passam de valores negativos para valores positivos, a densidade numérica nas camadas de adsorção diminui gradualmente; isso indica que a intensidade de adsorção das moléculas de óleo enfraquece com o aumento das cargas superficiais. O enfraquecimento da adsorção de moléculas de óleo significa ainda uma área de contato menor entre a superfície do substrato e a gota de óleo e, consequentemente, um ângulo de contato maior da gota de óleo. Os ângulos de contato crescentes das gotas de óleo também podem ser refletidos pela variação das alturas das gotas de óleo com as cargas superficiais. Como pode ser visto na Fig. 4a, a altura da gota de óleo aumenta com o aumento das cargas superficiais; isso significa que com cargas superficiais mais altas, as gotículas de óleo são mais finas e os ângulos de contato são maiores. O enfraquecimento da adsorção de moléculas de óleo em cargas superficiais positivas pode ser confirmado a partir da energia do sistema dos sistemas água-decano-dióxido de silício. Conforme mostrado na Fig. 4b, a energia do sistema de média temporal aumenta com o aumento das cargas superficiais. Quanto mais alta for a energia positiva do sistema, mais fraca será a atração entre as moléculas de óleo e o dióxido de silício. A figura inserida mostra as variações de tempo da energia do sistema para a superfície neutra de dióxido de silício.

a Distribuições de densidade de moléculas de óleo ao longo do z -direção; b Energia do sistema de média temporal em diferentes densidades de carga de superfície

A variação do ângulo de contato com a carga superficial também pode ser refletida nas distribuições de densidade do número molecular ao longo do x -direção. Conforme mostrado na Fig. 5, as distribuições de densidade numérica ao longo do x -direcção no x - y avião com altura de 1,9 nm no z -direcção apresenta uma plataforma na parte central. A largura da plataforma está relacionada à área da seção transversal da gota no x - y plano, enquanto a altura da plataforma está relacionada com a densidade do número molecular nas gotas. A largura e a altura da plataforma variam distintamente em diferentes cargas de superfície, que correspondem às diferentes formas de gotículas cilíndricas e, claro, aos diferentes ângulos de contato. Para os ângulos de contato mais baixos, a plataforma é mais larga; para ângulos de contato mais altos, a plataforma é mais estreita. Observa-se que a altura da plataforma para a densidade de carga superficial 7,936 e / nm ² é especialmente baixo, porque próximo à superfície do dióxido de silício as distribuições de densidade têm uma grande flutuação (ver Fig. 4a) e, em alguns casos, as densidades moleculares na altura de 1,9 nm estão localizadas apenas nos pontos mais baixos das distribuições de densidade.

Distribuições de densidade de moléculas de óleo ao longo do x -direcção no x - y avião com altura de 1,9 nm no z -direção

Também obtemos as distribuições de densidade das cargas negativas dos átomos dentro das gotículas cilíndricas, conforme mostrado na Fig. 6. Basicamente, as cargas negativas apresentam uma distribuição muito não uniforme. Nas zonas adjacentes à superfície do dióxido de silício, a densidade das cargas negativas é extremamente alta, enquanto nas zonas distantes da superfície do dióxido de silício, as cargas negativas se distribuem uniformemente. Enquanto isso, nas zonas de alta densidade adjacentes à superfície do dióxido de silício, as cargas negativas se distribuem camada por camada. A distribuição em camadas de cargas negativas está diretamente relacionada à estrutura em camadas das moléculas de óleo perto da superfície do dióxido de silício, porque as cargas negativas se associam diretamente aos átomos de carbono nas moléculas de óleo. Além disso, podemos descobrir que as distribuições de densidade de cargas negativas têm uma pequena diversidade em diferentes densidades de carga de superfície. À medida que a densidade de carga superficial aumenta, a distribuição em camadas de cargas negativas torna-se cada vez mais obscura. Isso está relacionado às áreas de contato reduzidas das nanogotas com as superfícies de dióxido de silício; em altas densidades de carga superficial, as áreas de contato são reduzidas e a estrutura em camadas das moléculas de óleo torna-se inaparente devido às interações de solvatação enfraquecidas.

Distribuições de densidade de carga negativa dentro das gotículas de óleo cilíndricas no x - z avião. a - 1,984 e / nm ² . b - 0,992 e / nm ² . c - 0,1984 e / nm ² . d 0,0 e / nm ² . e 0,1984 e / nm ² . f 0,992 e / nm ² . g 1,984 e / nm ² . h 3,968 e / nm ² . eu 5,952 e / nm ² . j 7,936 e / nm ²

Estrutura Molecular

As estruturas moleculares do sistema água-decano-dióxido de silício também são muito importantes para o entendimento da molhabilidade trifásica. Tentamos analisar as estruturas moleculares de óleo e água a partir da função de distribuição radial (RDF, g ( r ) [41]) e as orientações moleculares. A Figura 7 fornece as distribuições RDF de moléculas de óleo e água e as orientações das moléculas de óleo na superfície neutra de dióxido de silício. As distribuições RDF de pares atômicos O – O e C – C são totalmente diferentes (ver Fig. 7a), ou seja, as distribuições RDF de átomos C – C têm mais ondas do que aquelas de átomos O – O e os valores de pico das ondas para átomos C – C são maiores. Acoplando os significados físicos das funções RDF, pode-se facilmente concluir que as moléculas de óleo são fortemente adsorvidas nas superfícies de dióxido de silício com várias camadas, enquanto as moléculas de água são fracamente adsorvidas e apenas uma camada de adsorção aparece. O fenômeno de adsorção também pode ser visto nos mapas inseridos na Fig. 7a, onde os instantâneos de equilíbrio das moléculas de óleo e água na superfície de dióxido de silício neutro são exibidos. As camadas de adsorção óbvias de moléculas de óleo podem ser confirmadas a partir das distribuições de densidade numérica na Fig. 4a. De modo geral, a estrutura em camadas das moléculas de líquido em uma superfície sólida está relacionada às interações líquido-sólido. Para as interações líquido-sólido fortes, as moléculas de líquido perto da superfície sólida se distribuem camada por camada ao longo da direção normal à superfície, enquanto para as interações líquido-sólido fracas, a estrutura em camadas das moléculas de líquido não é muito aparente [42 ] Neste estudo, as interações entre a água e o dióxido de silício são relativamente mais fracas em comparação com aquelas entre o óleo e o dióxido de silício. Assim, a estrutura em camadas das moléculas de óleo perto da superfície sólida é mais óbvia do que a das moléculas de água.

Estruturas moleculares na superfície neutra do dióxido de silício. a Distribuições RDF de moléculas de óleo e água. b Orientações das moléculas de óleo localizadas em diferentes alturas no z -direção

A fim de refletir melhor as orientações das moléculas de óleo de cadeia longa nas superfícies de dióxido de silício, obtemos os ângulos entre as moléculas de óleo e as superfícies de dióxido de silício para as moléculas localizadas em diferentes alturas no z -direcção, como mostrado na Fig. 7b. O ângulo θ é definido como o ângulo de cruzamento entre a linha de base da superfície de dióxido de silício e a linha central de uma molécula de óleo, onde a linha central é definida como a linha média da linha de conexão entre C1 e C6 e a linha de conexão entre C1 e C10 . O número de sequência de átomos de carbono em uma molécula de óleo é iniciado de um lado da extremidade da molécula, que é mais adjacente à superfície do dióxido de silício. A definição de ângulo θ também está inserido na Fig. 7b. Como pode ser visto nesta figura, os ângulos para a maioria das moléculas de óleo são muito pequenos, especialmente para as moléculas de óleo próximas à superfície do dióxido de silício. Isso significa que as moléculas de óleo são adsorvidas na superfície do dióxido de silício com uma orientação paralela à superfície. Este fenômeno também pode ser confirmado a partir dos mapas inseridos na Fig. 7a.

Conclusões

Usando simulações de MD, estudamos os efeitos da densidade de carga superficial nos ângulos de contato do óleo em um sistema água-decano-dióxido de silício. Os resultados mostram que o ângulo de contato das nanogotas de óleo aumenta significativamente à medida que a carga superficial aumenta de valores negativos para valores positivos. Como a densidade de carga da superfície excede um valor crítico de 0,992 e / nm ² , o ângulo de contato atinge até 78,8 ° e o estado úmido é muito aparente. A variação dos ângulos de contato pode ser confirmada a partir das distribuições de densidade das moléculas de óleo ao longo do x - e z -instruções. A diminuição da densidade do número de moléculas de óleo nas camadas de adsorção e o aumento da altura da gota de óleo significam um maior ângulo de contato das gotas de óleo em densidades de carga de superfície mais altas. Devido à estrutura em camadas das moléculas de óleo perto da superfície do dióxido de silício, as cargas negativas adjacentes à superfície do dióxido de silício dentro das gotículas de óleo também se distribuem camada por camada. À medida que a densidade de carga superficial aumenta, a distribuição em camadas de cargas negativas (moléculas de óleo) torna-se cada vez mais obscura devido às interações enfraquecidas do óleo-dióxido de silício. As distribuições RDF de moléculas de óleo e água e as distribuições de orientação molecular também mostram que as moléculas de óleo são adsorvidas nas superfícies de dióxido de silício camada por camada, com uma orientação paralela às superfícies. Esses resultados têm implicações significativas para a compreensão da alteração da molhabilidade induzida por íons e outros agentes químicos na fase aquosa, especialmente para a compreensão dos papéis profundos das cargas superficiais na molhabilidade trifásica em um sistema água-decano-dióxido de silício.

Abreviações

CVFF:

Campo de força de valência consistente

EOR:

Recuperação de óleo aprimorada

LAMMPS:

Simulador atômico / molecular maciçamente paralelo em larga escala

MD:

Dinâmica Molecular

OPLS-AA:

Optimized potentials for liquid simulations all-atom force field

RDF:

Radial distribution function

Manipulação da temperatura de sulfurização para sintetizar filme de nanosfera α-NiS para preservação de longo prazo de sensores de glicose não enzimáticos Estrutura Eletrônica e Características I-V das Nanoribbons InSe