Angles de contact d'huile dans un système eau-décane-dioxyde de silicium :effets de la charge de surface

Contexte

La récupération assistée du pétrole (EOR) devient de plus en plus importante avec les difficultés croissantes d'extraction du pétrole brut des réservoirs pétroliers [1, 2]. Parmi les diverses techniques EOR, l'inondation d'eau est une approche dominante en raison de son faible coût et de son efficacité élevée. L'inondation d'eau est un processus à plusieurs échelles, comprenant soit les processus de doigté visqueux dans les réservoirs poreux, soit les processus d'écoulement diphasique selon lesquels le pétrole brut est déplacé par l'eau injectée dans les canaux microfluidiques. En conséquence, l'inondation de l'eau est contrôlée par divers facteurs, de l'échelle des pores à l'échelle du réservoir. En raison des grands rapports surface-volume des réservoirs de pétrole et du faible nombre de capillaires du processus de déplacement du pétrole, la mouillabilité du pétrole et de l'eau sur les surfaces de roches poreuses a un impact important sur les écoulements diphasiques pétrole-eau dans le pétrole. réservoirs. Par conséquent, la mouillabilité des surfaces rocheuses est très cruciale pour l'efficacité de récupération du pétrole [3,4,5].

Généralement, la surface de la roche mouillée par l'eau est bénéfique pour le déplacement du pétrole; cependant, la surface de la roche apparaît initialement comme humide d'huile pour l'adsorption des molécules polaires du pétrole crucial et d'autres. Ainsi, l'altération de la mouillabilité des surfaces rocheuses de l'huile-humide à l'eau-humide est très importante pour les techniques EOR. Dans l'inondation d'eau, les gens ajoutent généralement artificiellement des agents chimiques (par exemple, des tensioactifs, des polymères, des ions, des nanoparticules) dans l'eau injectée pour réaliser l'altération de la mouillabilité [6,7,8,9,10,11]. Par exemple, les tensioactifs dissous dans l'eau injectée peuvent altérer la mouillabilité des roches réservoirs à un état plus humide; il est généralement admis que la formation de paires d'ions et l'adsorption de molécules de tensioactif par le biais des interactions avec les composants du pétrole brut adsorbé sur les surfaces rocheuses sont les deux principaux mécanismes responsables de l'altération de la mouillabilité induite par le tensioactif [12]. Pour les inondations d'eau à faible salinité, l'expansion de la double couche lors de la réduction de la salinité et l'échange d'ions à plusieurs composants sont deux mécanismes concurrents spécifiques pour l'altération de la mouillabilité des réservoirs de grès [13, 14]. Alors que pour l'inondation d'eau à base de nanoparticules, la structuration auto-stratifiée et de faible dimension des nanoparticules dans la région de la ligne de contact triphasée exerce une pression de disjonction structurelle sur la phase huileuse et finalement favorise l'altération des surfaces rocheuses humides par le pétrole en eau -état humide [15,16,17,18].

Indépendamment de la variété des techniques d'inondation d'eau, le mécanisme essentiel d'altération de la mouillabilité est le changement des interactions triphasiques entre l'eau-pétrole-roche induite par les agents chimiques injectés. Pour les interactions eau-huile-roche, les interactions électrostatiques jouent un rôle important dans l'altération de la mouillabilité, car les agents chimiques peuvent s'adsorber sur les surfaces rocheuses et modifier par la suite les charges de surface. Par exemple, les cations divalents peuvent favoriser la liaison des composants acides du pétrole aux surfaces rocheuses chargées négativement et modifier en conséquence le potentiel électrique des surfaces rocheuses du négatif au positif [19,20,21,22]. Pendant ce temps, la chimie de l'eau elle-même pourrait affecter les charges sur les surfaces rocheuses [23]. Ainsi, la charge de surface est certainement l'un des facteurs les plus importants affectant la mouillabilité des surfaces rocheuses. Puah et al. [24] ont montré que la charge de surface affectait à la fois la mouillabilité statique et la cinétique de mouillage des surfaces solides. Ils ont en outre confirmé que l'angle de contact statique diminuait au-dessus et au-dessous du point de charge de surface nulle à la manière de Lippman, tandis que les données d'angle de contact dynamique peuvent être bien décrites par la théorie de la cinétique moléculaire.

Parce que la mouillabilité triphasique est directement liée aux interactions moléculaires entre l'eau-pétrole-roche, une étude de perspicacité moléculaire est très nécessaire pour révéler les effets de la charge de surface sur la mouillabilité des surfaces rocheuses [25, 26]. Dans cet article, nous construisons une surface de dioxyde de silicium pour modéliser les surfaces des roches silicatées et étudions sa mouillabilité triphasée en considérant les charges de surface en utilisant la méthode de simulation de la dynamique moléculaire (MD). Les effets de la charge de surface et de leurs mécanismes sous-jacents devraient être révélés à partir des aspects des distributions de densité de nombre moléculaire, de la structure moléculaire sur les surfaces rocheuses, etc.

Méthodes

Système de simulation

Nous étudions la mouillabilité triphasique dans un système modèle, où le pétrole est modélisé comme du décane, tandis que la roche est modélisée comme du dioxyde de silicium. En particulier, la surface de dioxyde de silicium peut bien représenter les réservoirs de grès [11, 27, 28]. Pour calculer l'angle de contact de l'huile, l'huile est enfermée dans de l'eau sous forme de gouttelette cylindrique (voir Fig. 1). Pour la goutte d'huile cylindrique, les effets de la tension de ligne sur le calcul de l'angle de contact peuvent être éliminés. Pour construire le substrat de dioxyde de silicium, un ensemble de cellules unitaires trigonales de -quartz est assemblée dans les directions [100], [010] et [001], respectivement. Ensuite, le cristal de quartz α est transformé d'un rhomboèdre en un cube d'une taille de 15 × 15 × 1 nm ³ . Une grande attention doit être portée pour obtenir une structure de surface réaliste; le même que la procédure de Puibasset et al. [29], le cristal est d'abord découpé le long de la face cristallographique (111) et les atomes de silicium dans les tétraèdres incomplets sont éliminés. Ensuite, les atomes d'oxygène non pontants, qui sont liés à un seul atome de silicium, sont saturés d'atomes d'hydrogène. A savoir, les faces supérieure et inférieure du substrat de dioxyde de silicium sont toutes deux saturées d'atomes d'hydrogène. Par conséquent, nous modifions simplement la charge de surface en ajoutant des charges partielles dans les atomes d'hydrogène supérieurs à la surface du dioxyde de silicium, tandis que l'ensemble du système est maintenu neutralisé en ajoutant des charges partielles équivalentes avec des valeurs inverses dans les atomes d'hydrogène inférieurs. Les structures des molécules de décane et d'eau sont également présentées sur la figure 1.

Illustration schématique du système de simulation. Vue latérale du système de simulation avec un cube d'huile entouré d'eau sur le dessus du substrat de dioxyde de silicium (à gauche) et des vues atomiques des molécules de décane et d'eau (à droite)

Comme le montre la figure 1, l'eau et l'huile sont initialement disposées sur le dessus du substrat de dioxyde de silicium et le cube d'huile est entouré de trois cubes d'eau de tailles différentes. Le cube d'huile a une dimension de 5 × 15 × 5 nm ³ et est situé à la partie centrale du substrat. Les dimensions des cubes d'eau de gauche et de droite sont les mêmes que celles du cube d'huile, tandis que celles du cube d'eau du dessus sont de 15  × 15 × 5 nm ³ . Le nombre de molécules d'eau et de décane est déterminé par la taille des cubes et les densités d'eau et d'huile dans les conditions de 300 K et 1 bar. Les densités d'eau et d'huile sont de 1 000 et 0,725 g/cm ³ , respectivement; en conséquence, le nombre de molécules d'eau et de décane est respectivement de 58 319 et 1150. L'arrangement des molécules est implémenté dans le logiciel Material Studio; à l'origine, ils sont répartis au hasard dans les boîtes spéciales. Ensuite, un calcul de minimisation d'énergie est effectué pour optimiser la géométrie moléculaire. Lorsque la simulation atteint un état d'équilibre, la boîte à huile évolue en une gouttelette cylindrique, tandis que les trois boîtes à eau peuvent fusionner pour former une phase continue entourant la gouttelette d'huile.

Modèle MD

Nos simulations MD sont réalisées à l'aide de la plateforme du LAMMPS (simulateur massivement parallèle atomique/moléculaire à grande échelle). Les simulations sont menées dans un ensemble NVT avec une température de 300 K. Les simulations s'exécutent totalement sur 5 millions de pas de temps avec un pas de temps de 1 fs. Les coordonnées atomiques sont enregistrées tous les 10 000 pas de temps pour observer l'évolution des gouttelettes d'huile et enfin calculer les angles de contact. Le système peut atteindre un état d'équilibre en environ deux millions de pas de temps, comme le montre la figure 2. Ainsi, les coordonnées atomiques au cours du dernier million de pas de temps sont adoptées pour faire la moyenne des distributions de densité de nombre moléculaire. Des conditions aux limites périodiques sont appliquées dans le x - et y -directions, tandis que la condition aux limites réfléchissante est appliquée dans le z -direction. Lors des simulations, les atomes de SiO₂ en vrac sont fixes, mais les atomes de surface O et H sont flexibles sous le contrôle du thermostat Nose-Hoover.

Procédures de calcul des angles de contact des gouttelettes d'huile cylindriques

Les interactions atomiques entre eau-décane-dioxyde de silicium sont toutes modélisées par le potentiel 12-6 de Lennard-Jones couplé à un terme polaire pour considérer à la fois les forces de Van der Waal et de Coulombic [30,31,32], comme suit :

où ε est le paramètre énergétique, σ est le paramètre de longueur, q _je et q _j sont les charges sur les atomes i et j , C est la constante électrostatique, et χ est la constante diélectrique. R _couper est la distance de coupure pour les forces électrostatiques de Van der Waal et à courte portée. La distance de coupure est définie sur 10 Å. Dans les simulations, les forces électrostatiques à longue distance sont considérées en utilisant la méthode particule-particule particule-maille. Pour obtenir les paramètres potentiels dans l'Eq. (1), le modèle TIP3P est adopté pour H₂ molécules O [33]; pour les molécules de décane, le champ de force OPLS-AA est adopté [34]; pour le substrat en dioxyde de silicium, le champ de force CVFF est adopté [35]. Les paramètres de potentiel non liés utilisés dans le système de simulation sont répertoriés dans le tableau 1. La règle de Lorentz-Berthelot est utilisée pour obtenir les paramètres de potentiel entre les atomes qui se croisent. Les interactions de liaison et les interactions dièdres entre quadruplets d'atomes dans une seule molécule sont également prises en compte correctement. Pour les interactions de liaison, le modèle harmonique est appliqué, tandis que pour les interactions dièdres, le modèle de potentiel OPLS est appliqué [36].

Calcul de l'angle de contact

La mouillabilité de la surface du dioxyde de silicium est caractérisée par l'angle de contact avec l'huile, qui est obtenu sur la base des distributions de densité des molécules d'huile dans les nano-gouttelettes. Au stade le plus précoce des simulations, la goutte d'huile évolue d'un cube à un demi-cylindre et atteint un état d'équilibre; ce processus d'équilibrage prend généralement deux millions de pas de temps, ce qui peut être confirmé par la variation temporelle du centre de masse des gouttelettes d'huile. A l'état d'équilibre, la coordonnée du centre de masse reste constante dans le z -direction. Parce que la distribution de densité des molécules de pétrole doit être moyennée pour les configurations d'équilibre huile-eau, pour être doublement sûr, nous ne collectons les coordonnées atomiques que dans le dernier million de pas de temps pour obtenir les distributions de densité. Pour faire la moyenne des densités moléculaires, la zone huile/eau est divisée en plusieurs cellules cubiques régulières d'une taille de 2 × 2 × 2 Å ³ . En faisant la moyenne en temps voulu du nombre d'atomes apparus dans chaque cellule, le contour 3D et le contour 2D dans le x -z plan des distributions de densité des nano-gouttelettes d'huile peut être obtenu. Il est à noter que le contour 2D dans le x -z plan est obtenu en calculant davantage la moyenne du contour 3D dans le y -direction. Avec le contour 2D, l'interface huile-eau est identifiée selon la règle suivante; à l'interface, la densité en nombre d'atomes d'huile dans les cellules d'interface est la moitié de la densité dans les cellules en masse des gouttelettes d'huile (ρ _b ). Compte tenu de l'épaisseur de l'interface, les emplacements de ces cellules sont définis comme interface si les densités dans les cellules sont comprises entre 0,2ρ _b à 0,8ρ _b . En utilisant la méthode ci-dessus, les points discrets sur l'interface peuvent être identifiés. Enfin, nous obtenons le profil de l'interface en ajustant ces points discrets sous forme de cercle et calculons l'angle de contact des gouttelettes d'huile. Dans la ferrure, la position centrale (x ₀ , z ₀ ) et le rayon r du cercle sont nécessairement obtenus. L'angle de contact θ peut être calculé comme θ = arccos(d /r ), où d est la distance entre le centre du cercle et la ligne de base de la surface rocheuse dans le z -direction (d = z _b − z ₀ , z _b est le z -position de la ligne de base, z _b = 12,16 Å). Si la distance est une valeur négative, le centre du cercle se trouve au sommet de la surface rocheuse et l'angle de contact dépasse définitivement 90°. L'ensemble des procédures de calcul de l'angle de contact est explicitement décrit dans la Fig. 2. Pour obtenir l'angle de contact de cette manière, il suffit d'analyser la goutte d'huile cylindrique dans le système de coordonnées cartésiennes.

En raison du manque de données efficaces sur les angles de contact des gouttelettes d'huile entourées d'eau sur des substrats de dioxyde de silicium, nous validons notre modèle de simulation en comparant les angles de contact de gouttelettes d'eau sphériques sur des substrats de dioxyde de silicium. Nous effectuons une simulation individuelle pour obtenir l'angle de contact d'une nano-goutte d'eau avec 4179 molécules. Il est à noter que dans la simulation de validation, les groupes hydroxyle à la surface des substrats en dioxyde de silicium sont fixés comme d'autres travaux représentatifs effectués. L'angle de contact mesuré est de 7,8°, ce qui est en bon accord avec celui des travaux de Pafong et al. [37]. Ils ont signalé un angle de contact avec l'eau de 7,0°, ce qui présente un écart relatif de seulement 10,3 %. Ce bon accord indique que notre modèle de simulation et notre méthode sont fiables.

Résultats et discussion

Angle de contact

En calculant les angles de contact des gouttelettes d'huile cylindriques, les variations de l'angle de contact avec la densité de charge de surface peuvent être obtenues, comme le montre la Fig. 3. On peut clairement voir sur cette figure que l'angle de contact a une grande dépendance à la charge de surface densité; de la surface chargée négativement à la surface chargée positivement, l'angle de contact des gouttelettes d'huile augmente considérablement. Cela signifie que la surface de la roche passe de l'état humide à l'huile à l'état humide à mesure que la charge de surface augmente de valeurs négatives à des valeurs positives. Les contours de densité moyenne dans le x -z plan à diverses densités de charge de surface sont également insérés dans cette figure pour avoir une compréhension intuitive de la variation de la mouillabilité de la surface.

Variation des angles de contact avec la densité de charge de surface. Les images de contour de gouttelettes d'huile à différentes densités de charge de surface sont également insérées

Nous pouvons également constater à partir de la Fig. 3 que la surface de la roche présente un état humide très évident lorsque la densité de charge de surface augmente jusqu'à 0,992 e/nm ² . En dessous de cette valeur critique, la variation de l'angle de contact avec la densité de charge surfacique n'est pas évidente; au-delà de cette valeur critique, l'angle de contact atteint jusqu'à 78,8° et l'état humide est très apparent. On pense que la variation de l'angle de contact avec la charge de surface est causée par le changement des intensions de l'eau-dioxyde de silicium et de l'huile-dioxyde de silicium, car la charge de surface affecte les interactions entre l'eau-dioxyde de silicium et les interactions entre l'huile-silicium dioxyde. Il est à noter en particulier que les résultats de simulation basés sur ce système idéal ne peuvent pas être directement croisés avec les études expérimentales pour révéler la mouillabilité dépendante de la salinité dans les systèmes huile-eau-roche. Dans les études expérimentales, les cations en phase aqueuse peuvent avoir pour effet de modifier le potentiel électrique des surfaces rocheuses de négatif à positif, mais ce n'est certainement pas leur seul effet. Les autres effets potentiels des cations peuvent inclure un échange multi-ionique et une expansion à double couche, etc. [21, 38, 39, 40]. Par conséquent, c'est totalement différent pour les cas de modification de la charge de surface et de modification de la concentration des cations dans l'eau. En conséquence, les tendances de variation des angles de contact avec la densité de charge de surface et la concentration de cations peuvent différer. Dans cette étude de simulation, nous discutons uniquement de l'effet des charges partielles sur la surface du dioxyde de silicium sur la mouillabilité triphasique dans un système huile-eau-roche très idéal. Ces résultats ne peuvent pas révéler directement les mécanismes de l'inondation des eaux à faible salinité et guider ses applications dans la récupération améliorée du pétrole, mais ils peuvent fournir des compréhensions de base sur la façon dont les charges de surface affectent la mouillabilité triphasée. Cette étude est toujours d'importance car elle révèle les rôles profonds des charges de surface sur la mouillabilité triphasée dans un système eau-décane-dioxyde de silicium.

Distribution de la densité

Pour révéler les mécanismes de l'angle de contact dépendant de la densité de charge, nous analysons les distributions de densité des molécules d'huile le long de la direction de la hauteur (z -direction). La figure 4a donne la densité moyenne des molécules d'huile dans chaque couche avec une largeur de 0,2 nm le long de la direction de la hauteur. Comme on le voit sur cette figure, au bas de la gouttelette cylindrique (c'est-à-dire près de la surface du substrat), la densité d'huile est élevée et présente des distributions de fluctuation ; ce phénomène signifie que les molécules d'huile sont adsorbées sur les surfaces du substrat dans une structure en couches. Au sommet de la gouttelette cylindrique, la densité moyenne descend à une valeur proche de zéro, car le sommet en forme d'arc de la gouttelette fait que le nombre de molécules d'huile dans les couches parallèles diminue à mesure que les couches se rapprochent du sommet de la gouttelette. Pendant ce temps, nous pouvons constater que, à mesure que les charges de surface passent de valeurs négatives à des valeurs positives, la densité numérique dans les couches d'adsorption diminue progressivement; cela indique que l'intensité d'adsorption des molécules d'huile s'affaiblit avec l'augmentation des charges de surface. L'affaiblissement de l'adsorption des molécules d'huile signifie en outre une plus petite surface de contact entre la surface du substrat et la gouttelette d'huile et par conséquent un plus grand angle de contact de la gouttelette d'huile. Les angles de contact croissants des gouttelettes d'huile peuvent également être reflétés par la variation des hauteurs des gouttelettes d'huile avec les charges de surface. Comme le montre la figure 4a, la hauteur des gouttelettes d'huile augmente avec l'augmentation des charges de surface ; cela signifie qu'à des charges de surface plus élevées, les gouttelettes d'huile sont plus fines et les angles de contact sont plus grands. L'affaiblissement de l'adsorption des molécules d'huile à des charges de surface positives peut être confirmé à partir de l'énergie du système des systèmes eau-décane-dioxyde de silicium. Comme le montre la figure 4b, l'énergie du système de moyenne temporelle augmente avec l'augmentation des charges de surface. Plus l'énergie positive du système est élevée, plus les attractions entre les molécules d'huile et le dioxyde de silicium sont faibles. La figure insérée montre les variations temporelles de l'énergie du système pour la surface neutre de dioxyde de silicium.

un Distributions de densité des molécules d'huile le long du z -direction; b Moyenne temporelle de l'énergie du système à différentes densités de charge de surface

La variation de l'angle de contact avec la charge de surface peut également être reflétée à partir des distributions de densité de nombre moléculaire le long du x -direction. Comme le montre la figure 5, les distributions de densité de nombre le long du x -direction dans le x -y avion d'une hauteur de 1,9 nm dans le z -direction présente une plate-forme dans la partie centrale. La largeur de la plate-forme est liée à la section transversale de la gouttelette dans le x -y plan, tandis que la hauteur de la plate-forme est liée à la densité du nombre moléculaire dans les gouttelettes. La largeur et la hauteur de la plate-forme varient nettement à différentes charges de surface, qui correspondent aux différentes formes de gouttelettes cylindriques et bien entendu aux différents angles de contact. Pour les angles de contact inférieurs, la plate-forme est plus large; pour les angles de contact plus élevés, la plate-forme est plus étroite. Il est à noter que la hauteur de la plate-forme pour la densité de charge de surface 7,936 e/nm ² est particulièrement faible, car près de la surface du dioxyde de silicium, les distributions de densité ont une grande fluctuation (voir Fig. 4a) et, dans certains cas, les densités moléculaires à la hauteur de 1,9 nm sont juste situées au bas des distributions de densité.

Distributions de densité des molécules d'huile le long du x -direction dans le x -y avion d'une hauteur de 1,9 nm dans le z -direction

Nous obtenons également les distributions de densité des charges négatives des atomes à l'intérieur des gouttelettes cylindriques, comme le montre la figure 6. Fondamentalement, les charges négatives présentent une distribution très non uniforme. Dans les zones adjacentes à la surface du dioxyde de silicium, la densité de charges négatives est extrêmement élevée, tandis que dans les zones éloignées de la surface du dioxyde de silicium, les charges négatives se répartissent uniformément. Pendant ce temps, dans les zones à haute densité adjacentes à la surface du dioxyde de silicium, les charges négatives se répartissent couche par couche. La distribution en couches des charges négatives est directement liée à la structure en couches des molécules d'huile près de la surface du dioxyde de silicium, car les charges négatives s'associent directement aux atomes de carbone dans les molécules d'huile. De plus, nous pouvons constater que les distributions de densité des charges négatives ont une légère diversité à différentes densités de charge de surface. Au fur et à mesure que la densité de charge de surface augmente, la distribution en couches des charges négatives devient de plus en plus obscure. Ceci est lié aux surfaces de contact réduites des nano-gouttelettes avec les surfaces de dioxyde de silicium; à des densités de charge de surface élevées, les zones de contact sont réduites et la structure en couches des molécules d'huile devient inapparente en raison des interactions de solvatation affaiblies.

Distributions de densité de charge négative à l'intérieur des gouttelettes d'huile cylindriques dans le x -z avion. un − 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 . je 5.952 e/nm ² . j 7.936 e/nm ²

Structure moléculaire

Les structures moléculaires dans le système eau-décane-dioxyde de silicium sont également très importantes pour la compréhension de la mouillabilité triphasique. Nous essayons d'analyser les structures moléculaires du pétrole et de l'eau à partir de la fonction de distribution radiale (RDF, g (r ) [41]) et les orientations moléculaires. La figure 7 donne les distributions RDF des molécules d'huile et d'eau et les orientations des molécules d'huile sur la surface neutre du dioxyde de silicium. Les distributions RDF des paires atomiques O-O et C-C sont totalement différentes (voir Fig. 7a), à savoir, les distributions RDF des atomes C-C ont plus d'ondes que celles des atomes O-O et les valeurs maximales des ondes pour les atomes C–C sont plus élevés. Couplé avec les significations physiques des fonctions RDF, on peut facilement conclure que les molécules d'huile sont fortement adsorbées sur les surfaces de dioxyde de silicium avec plusieurs couches, tandis que les molécules d'eau sont faiblement adsorbées et qu'une seule couche d'adsorption apparaît. Le phénomène d'adsorption peut également être vu à partir des cartes insérées dans la Fig. 7a, où les instantanés d'équilibre des molécules d'huile et d'eau sur la surface neutre du dioxyde de silicium sont affichés. Les couches d'adsorption évidentes des molécules d'huile peuvent être confirmées à partir des distributions de densité numérique de la figure 4a. De manière générale, la structure en couches des molécules liquides sur une surface solide est liée aux interactions liquide-solide. Pour les interactions liquide-solide fortes, les molécules liquides proches de la surface solide se répartissent couche par couche le long de la direction normale à la surface, tandis que pour les interactions liquide-solide faibles, la structure en couches des molécules liquides n'est pas très apparente [42 ]. Dans cette étude, les interactions entre l'eau et le dioxyde de silicium sont relativement plus faibles par rapport à celles entre le pétrole et le dioxyde de silicium. Ainsi, la structure en couches des molécules d'huile près de la surface solide est plus évidente que celle des molécules d'eau.

Structures moléculaires à la surface neutre du dioxyde de silicium. un Distributions RDF de molécules d'huile et d'eau. b Orientations des molécules d'huile situées à différentes hauteurs dans le z -direction

Afin de mieux refléter les orientations des molécules d'huile à longue chaîne sur les surfaces de dioxyde de silicium, nous obtenons les angles entre les molécules d'huile et les surfaces de dioxyde de silicium pour les molécules situées à différentes hauteurs dans le z -direction, comme le montre la Fig. 7b. L'angle θ est défini comme l'angle de croisement entre la ligne de base de la surface du dioxyde de silicium et la ligne centrale d'une molécule d'huile, où la ligne centrale est définie comme la ligne moyenne de la ligne de connexion entre C1 et C6 et la ligne de connexion entre C1 et C10 . Le numéro de séquence des atomes de carbone dans une molécule d'huile commence à partir d'un côté d'extrémité de la molécule, qui est plus adjacent à la surface du dioxyde de silicium. La définition de l'angle θ est également inséré dans la Fig. 7b. Comme on le voit sur cette figure, les angles pour la majorité des molécules d'huile sont très petits, en particulier pour les molécules d'huile près de la surface du dioxyde de silicium. Cela signifie que les molécules d'huile sont adsorbées sur la surface du dioxyde de silicium avec une orientation parallèle à la surface. Ce phénomène peut également être confirmé à partir des cartes insérées dans la figure 7a.

Conclusions

À l'aide de simulations MD, nous étudions les effets de la densité de charge de surface sur les angles de contact de l'huile dans un système eau-décane-dioxyde de silicium. Les résultats montrent que l'angle de contact des nano-gouttelettes d'huile augmente de manière significative à mesure que la charge de surface augmente de valeurs négatives à des valeurs positives. Comme la densité de charge de surface dépasse une valeur critique de 0,992 e/nm ² , l'angle de contact atteint jusqu'à 78,8° et l'état humide est très apparent. La variation des angles de contact peut être confirmée à partir des distributions de densité des molécules d'huile le long du x - et z -directions. La densité en nombre décroissante des molécules d'huile dans les couches d'adsorption et la hauteur croissante des gouttelettes d'huile signifient toutes deux un plus grand angle de contact des gouttelettes d'huile à des densités de charge de surface plus élevées. En raison de la structure en couches des molécules d'huile près de la surface du dioxyde de silicium, les charges négatives adjacentes à la surface du dioxyde de silicium à l'intérieur des gouttelettes d'huile se répartissent également couche par couche. Au fur et à mesure que la densité de charge de surface augmente, la distribution en couches des charges négatives (molécules d'huile) devient de plus en plus obscure en raison de l'affaiblissement des interactions huile-dioxyde de silicium. Les distributions RDF des molécules d'huile et d'eau et les distributions d'orientation moléculaire montrent également que les molécules d'huile sont adsorbées sur les surfaces de dioxyde de silicium couche par couche avec une orientation parallèle aux surfaces. Ces résultats ont des implications importantes pour la compréhension de l'altération de la mouillabilité induite par les ions et autres agents chimiques dans la phase aqueuse, en particulier pour la compréhension des rôles profonds des charges de surface sur la mouillabilité triphasique dans un système eau-décane-dioxyde de silicium.

Abréviations

CVFF:

Consistent valence force field

EOR:

Enhanced oil recovery

LAMMPS:

Large-scale atomic/molecular massively parallel simulator

MD:

Molecular dynamics

OPLS-AA:

Optimized potentials for liquid simulations all-atom force field

RDF:

Radial distribution function