Efek Permukaan pada Transportasi Minyak di Nanochannel:Studi Dinamika Molekuler
Abstrak
Dalam karya ini, kami menyelidiki mekanisme dinamika transportasi minyak di nanochannel menggunakan simulasi dinamika molekul. Hal ini menunjukkan bahwa interaksi antara molekul minyak dan nanochannel memiliki efek yang besar pada sifat transportasi minyak di nanochannel. Karena interaksi yang berbeda antara molekul minyak dan saluran, perpindahan pusat massa (COM) minyak dalam saluran 6-nm lebih dari 30 kali lebih besar daripada di saluran 2-nm, dan koefisien difusi molekul minyak di pusat saluran 6-nm hampir dua kali lebih banyak daripada di dekat permukaan saluran. Selain itu, ditemukan bahwa polaritas molekul minyak berpengaruh terhadap hambatan transportasi minyak, karena interaksi elektrostatik antara molekul minyak polar dan saluran jauh lebih besar daripada antara molekul minyak nonpolar dan saluran. Selain itu, komponen saluran ditemukan memainkan peran penting dalam transportasi minyak di nanochannel, misalnya, perpindahan COM minyak di saluran emas sangat sedikit karena interaksi yang besar antara minyak dan substrat emas. Ditemukan juga bahwa kekasaran permukaan saluran berukuran nano sangat mempengaruhi kecepatan dan pola aliran oli. Temuan kami akan berkontribusi untuk mengungkap mekanisme transportasi minyak di saluran nano dan oleh karena itu sangat penting untuk desain ekstraksi minyak di saluran nano.
Latar Belakang
Terinspirasi oleh permintaan energi dunia yang semakin meningkat dan konsumsi energi konvensional yang berlebihan, pengembangan minyak serpih non-konvensional mendapat perhatian luas, karena cadangannya yang besar dan potensi produksinya [1]. Minyak serpih adalah kependekan dari minyak serpih organik matang dan energi paling representatif yang tercantum di bawah judul energi tidak konvensional. Meskipun total sumber daya minyak serpih dunia yang diketahui lebih dari tiga kali lebih tinggi daripada minyak mentah konvensional yang tersisa [2], total cadangan minyak serpih yang dapat dieksploitasi diperkirakan jauh lebih sedikit daripada cadangan. Selain itu, minyak serpih telah dieksploitasi selama sekitar 200 tahun, tetapi pengembangan dan pemanfaatan minyak serpih sangat terbatas sejauh ini. Semua ini menunjukkan bahwa minyak serpih, terkurung dalam nanochannel, sulit untuk diekstraksi [3]. Ukuran saluran serpih minyak berkisar antara 2 hingga 100 nm lebar [4, 5], yang menghasilkan luas permukaan spesifik yang besar dan berbagai jenis efek permukaan. Di bawah pengaruh interaksi permukaan antara cairan dan substrat, banyak fenomena fisik baru dapat muncul, misalnya, air mengalir lebih cepat di dalam nanotube daripada di tabung makro klasik [6, 7], peningkatan anomali ditemukan pada kapasitansi karbon di pori ukuran kurang dari 1 nm [8], afinitas air dalam karbon nanotube berubah dari hidrofobik menjadi hidrofilik karena lebarnya berkurang [9]. Terletak di oil shale, dengan interaksi permukaan yang kuat antara fluida dan substrat shale, fluida menunjukkan banyak karakter yang berbeda dari yang ada di saluran makroskopik, seperti distribusi densitas, keterbasahan, dan koefisien difusi [10,11,12], menghasilkan sifat transportasi cairan yang berbeda melalui saluran nano seperti itu dari saluran skala makro. Menggunakan simulasi dinamika molekul (MD), Chen et al. menyelidiki perilaku transportasi air di dalam model nanotube karbon dan menemukan bahwa tegangan geser antara cairan dan saluran adalah ukuran-sensitif, dan mereka juga memverifikasi kesimpulan simulatif dengan percobaan pada karbon nanopori dalam gliserin [13]. Xue dkk. menganggap aliran dekana di silika nanochannel di bawah kekuatan pendorong dari banjir gas, dan mereka menemukan bahwa tekanan awal dan energi interaksi antara minyak dan substrat memainkan peran penting dalam perpindahan tetesan minyak [14]. Wang dkk. mensimulasikan aliran oktan di celah kuarsa dengan simulasi MD, dan mereka menemukan bahwa kecepatan meningkat dengan peningkatan gaya eksternal, lebar saluran, dan suhu, dan mereka juga menemukan bahwa efek permukaan dapat mendominasi transportasi minyak di nanochannel dengan mengurangi lebar saluran [15]. Seperti disebutkan di atas, interaksi permukaan yang kuat antara cairan dan nanochannel memiliki efek penting pada aliran fluida di nanochannel. Namun, ada sedikit studi sistematis tentang pengaruh sifat permukaan pada mekanisme dinamika transportasi minyak di nanochannel. Memahami pengaruh efek permukaan pada pengangkutan minyak serpih di nanochannel sangat penting untuk mempromosikan pengembangan dan pemanfaatan minyak serpih.
Dalam karya ini, kami menyelidiki mekanisme dinamika transportasi minyak di saluran nano menggunakan simulasi MD dan menunjukkan bahwa interaksi permukaan antara molekul minyak dan permukaan saluran, kekasaran permukaan saluran, dan interaksi antara molekul minyak semuanya memiliki efek besar pada pusat massa. (COM) perpindahan minyak di nanochannel. Kesimpulannya tidak hanya akan memberikan masa depan yang cerah untuk bidang energi tetapi juga menjelaskan berbagai ilmu alam, seperti lingkungan, biomedis, kimia, energi, dan aplikasi industri termasuk translokasi protein, pemisahan membran campuran, dan baterai saluran. [16,17,18,19,20].
Metode
Semua simulasi MD dilakukan oleh kode Discover di perangkat lunak Material Studio (Accelrys Inc.). Sebuah fase kental dioptimalkan potensi molekuler untuk studi simulasi atomistik (COMPASS) digunakan untuk menggambarkan interaksi interatomik. Medan gaya COMPASS adalah medan gaya semua atom umum berdasarkan ab initio dan diparameterisasi menggunakan data ekstensif untuk molekul dalam fase terkondensasi. Potensi medan gaya dapat dinyatakan sebagai berikut:
Dalam persamaan di atas, Evalensi mengacu pada energi valensi (atau ikatan), yang umumnya dihitung dengan istilah diagonal seperti regangan ikatan, pembengkokan sudut valensi, torsi sudut dihedral, dan inversi. Elintas istilah mengacu pada energi lintas-istilah, yang memperhitungkan faktor-faktor seperti ikatan atau distorsi sudut yang disebabkan oleh atom terdekat untuk secara akurat mereproduksi sifat dinamis molekul. Dan Enon-ikatan mengacu pada energi non-ikatan, yang menjelaskan interaksi antara atom-atom yang tidak terikat dan sebagian besar dihasilkan dari interaksi van der Waals (vdW) dan interaksi elektrostatik. Ketiga suku tersebut dapat direpresentasikan sebagai
dimana b dan b adalah panjang ikatan dari dua ikatan yang berdekatan, dan θ , ϕ , dan χ masing-masing adalah sudut dua ikatan, sudut puntir dihedral, dan sudut keluar bidang. q adalah muatan atom, ε adalah konstanta dielektrik, rij adalah i -j jarak pemisahan atom. b0 , Ki (i = 2 − 4), θ0 , Hi (i = 2 − 4), \( {\phi}_i^0 \) (i = 1 − 3), Vi (i = 1 − 3), \( {F}_{b{ b}^{\prime }} \), \( {b}_0^{\prime } \), \( {F}_{\theta { \theta}^{\prime }} \), \( {\theta}_0^{\prime } \), Fbθ , Bbϕ , \( {F}_{b^{\prime}\theta} \), Fi (i = 1 − 3), Fθϕ , \( {K}_{\phi \theta {\theta}^{\prime }} \), Aij dan Bij dipasang dari perhitungan mekanika kuantum dan diimplementasikan ke dalam modul Discover dari Materials Studio. Potensi Lennard-Jones digunakan untuk menggambarkan interaksi antarmolekul antara molekul minyak, molekul minyak dan nanochannels [14, 21, 22]. Jarak cutoff 15,5 dipilih untuk menghitung interaksi vdW, dan metode Ewald dan metode berbasis atom masing-masing diterapkan untuk perhitungan interaksi elektrostatik dan interaksi vdW. Sistem dihitung di bawah volume konstan dan suhu konstan, yaitu, ansambel NVT digunakan. Suhunya adalah 298 K, dan metode termostat Andersen dipilih untuk mengontrol sistem pada suhu termodinamika. Kondisi batas periodik diberlakukan di ketiga dimensi. Data dikumpulkan setiap 5 ps, dan lintasan akurat penuh dicatat.
Komposisi utama mineral batuan adalah silika di sebagian besar formasi serpih [23,24,25]. Jadi, permukaan silika dipilih sebagai permukaan serpih minyak dalam simulasi kami. Kisi awal silika berasal dari database perangkat lunak Material Studio. Permukaan (0 0 1) dibelah, dan kemudian permukaan persegi dihaluskan. Dimensi setiap permukaan substrat adalah 1,5 × 7 × 0,85 nm
3
. Saluran pemisah di sepanjang z -sumbu dibuat antara dua permukaan substrat seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a. Permukaan saluran sepenuhnya dimodifikasi oleh hidroksil untuk mewakili kondisi geologis [26].
a Representasi model nanochannel silika. Struktur molekul b oktadekan, c piridin, dan d fenol. Kode warna untuk atom:merah , oksigen; putih , hidrogen; kuning , silikon; abu-abu , karbon; dan biru , nitrogen
Konfigurasi awal sistem dibangun oleh molekul octadecane yang dikemas di dalam saluran silika. Empat puluh molekul octadecane dimasukkan ke dalam celah saluran dengan lebar 2 nm, menghasilkan kerapatan 0,8 g/cm
3
. Kami juga mempelajari sifat transportasi molekul piridin dan fenol, dua komponen lain dari minyak serpih, untuk menyelidiki efek molekul minyak pada transportasi minyak di nanochannel. Struktur oktadekana, piridin, dan fenol diekstraksi dari database perangkat lunak Material Studio, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b-d. Untuk memastikan kepadatan minyak yang sama, jumlah molekul piridin, molekul fenol, dan molekul oktadekana dalam saluran dengan lebar 4 dan 6 nm dalam simulasi kami masing-masing adalah 407, 344, 80, dan 120.
Dengan menggunakan Discover Minimization, pertama-tama kami melakukan minimalisasi energi untuk mengoptimalkan sistem sehingga sistem dapat diseimbangkan dengan baik. Simulasi kesetimbangan dilakukan dengan menggunakan prerun 500 ps untuk memastikan bahwa sistem telah mencapai keadaan tunak. Kemudian simulasi non-kesetimbangan dilakukan dengan menerapkan gaya gravitasi seperti sejajar dengan permukaan saluran (sepanjang z -sumbu) ke semua molekul minyak untuk mempromosikan transportasi melalui saluran, yang biasa digunakan dalam simulasi transportasi fluida [27,28,29]. Kami mencatat di sini bahwa satu batasan dari simulasi MD adalah bahwa gaya yang sebanding dengan yang ada di pengaturan sekitar tidak praktis, karena waktu yang dibutuhkan untuk perhitungan MD; dengan demikian, kami menerapkan gaya yang menghasilkan nilai rata-rata 3,1 × 10
−14
N pada setiap atom. Maksud dari kekuatan besar adalah untuk mendapatkan data yang lebih tepat untuk transportasi minyak dengan waktu simulasi yang terbatas.
Hasil dan Diskusi
Pengaruh Lebar Saluran
Kami pertama-tama memperhatikan pengaruh lebar saluran pada sifat transportasi minyak. Di bawah aksi gaya eksternal, jumlah atom yang mengalir melalui penampang saluran secara bertahap meningkat dengan waktu simulasi (File tambahan 1:Gambar S1, Informasi Pendukung). Molekul minyak ditarik selama sekitar 2 ns. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d-f, dengan penambahan lebar saluran, jarak perpindahan minyak lebih besar setelah simulasi MD 2 ns. Untuk menggambarkan secara kuantitatif perpindahan minyak di sepanjang sumbu saluran, kami menghitung perpindahan COM minyak antara lokasi awal dan lokasi akhir setelah 2 ns. Simulasi MD dan lokasi awalnya di sepanjang z -sumbu dan pusat massa didefinisikan dalam bentuk rata-rata tertimbang massa dari koordinat atom.
Model awal proses transportasi molekul octadecane force-driven di saluran silika dengan lebar a 2, b 4, dan c 6 nm, dan cuplikan molekul oktadekan dalam d 2, e 4, dan f Saluran 6 nm pada 2 ns
Pada Gambar. 3, kami menyajikan perpindahan minyak setelah simulasi MD 2 ns. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pada kondisi gaya tarik yang sama pada setiap atom, perpindahan COM minyak di saluran 2 nm hanya 0,85 nm, jauh lebih kecil daripada di saluran 6 nm. Ini menunjukkan bahwa saluran yang lebih sempit memberikan batasan adsorpsi yang lebih jelas pada molekul minyak.
Perpindahan COM oli pada 2 ns dan energi interaksi rata-rata antara oli dan saluran versus lebar saluran
Untuk memperjelas pengaruh kendala adsorpsi, kami menghitung energi interaksi rata-rata antara molekul minyak dan substrat. Energi interaksi rata-rata dihitung sebagai berikut:
dimana Einteraksi rata-rata adalah energi interaksi rata-rata antara molekul minyak dan substrat; Ejumlah mewakili energi total dari keseluruhan sistem; Eminyak dan Esubstrat adalah energi komponen minyak dan komponen substrat, masing-masing; dan T adalah jumlah total atom molekul minyak [14, 30, 31]. Gambar 3 menunjukkan bahwa perpindahan minyak berkurang dengan meningkatnya energi interaksi rata-rata. Jelas bahwa adsorpsi antara molekul minyak dan saluran tumbuh dengan energi interaksi. Adsorpsi saluran yang kuat menghambat transportasi minyak di saluran sempit. Dari data yang diilustrasikan pada Gambar. 3, kami menemukan bahwa ketika energi interaksi ditingkatkan tiga kali, perpindahan minyak berkurang lebih dari 30 kali. Hal ini menunjukkan bahwa transportasi minyak sangat dipengaruhi oleh interaksi antara molekul minyak dan substrat. Namun, efek ini berkurang dengan meningkatnya lebar saluran. Efek ukuran pada transportasi minyak lebih jelas di nanochannel daripada di microchannel (File tambahan 1:Gambar S2). Oleh karena itu, mengurangi energi interaksi antara molekul minyak dan substrat merupakan faktor kunci untuk meningkatkan transportasi minyak di nanochannel.
Dapat dilihat dari Gambar 2 bahwa terdapat struktur pelapisan yang jelas di dekat permukaan saluran nano, dengan ketebalan sekitar 5 . Perlu dicatat bahwa lapisan yang berkontak dengan permukaan saluran dan lapisan di tengah saluran masing-masing disebut lapisan kontak dan lapisan tengah. Jelas, lapisan molekul minyak yang tertata dengan baik ditemukan di daerah dekat permukaan. Orientasi molekul octadecane umumnya dicirikan oleh sudut θ antara vektor normal ke permukaan saluran dan beberapa vektor yang dibentuk oleh garis yang menghubungkan dua atom karbon di ujung molekul oktadekan [15, 29]. Distribusi orientasi untuk molekul octadecane di setiap lapisan pada 2 ns disajikan pada Gambar. 4. Berikut, θ = 80
o
90
o
sesuai dengan orientasi paralel molekul, sedangkan nilai θ = 0
o
10
o
berarti bahwa molekul tegak lurus terhadap permukaan saluran. Kita dapat melihat bahwa molekul octadecane sebagian besar sejajar dengan permukaan pada lapisan saluran 2 nm dan pada lapisan kontak saluran 4 nm dan saluran 6 nm, karena interaksi permukaan minyak yang kuat (Gbr. 5b). Untuk lapisan tengah saluran 4 nm dan saluran 6 nm, tidak ada orientasi preferensi molekul octadecane, yang berarti bahwa molekul octadecane cenderung terletak pada berbagai sudut terhadap permukaan saluran. Molekul oktadekana yang selaras dalam lapisan kontak dapat menjadi penting untuk sifat transportasi molekul minyak dalam saluran nano.
Distribusi sudut orientasi molekul octadecane di setiap lapisan untuk lebar saluran yang berbeda
a Profil koefisien difusi minyak dalam saluran dengan lebar yang berbeda. b Jarak ketergantungan energi interaksi rata-rata antara molekul minyak dan silika (dengan simbol). Garis solid mewakili fungsi yang pas
Selanjutnya, kami mengamati bahwa waktu mulai (didefinisikan sebagai waktu di mana perpindahan lapisan lebih dari 5 ) untuk berbagai lapisan berbeda dengan memeriksa lintasan. Data waktu mulai yang tercantum dalam informasi pendukung (File tambahan 1:Tabel S1) menunjukkan bahwa waktu mulai lapisan kontak meningkat dengan berkurangnya lebar saluran, yang berarti bahwa gaya tarik yang diperlukan untuk memulai pergerakan lapisan kontak di saluran yang lebih sempit adalah lebih besar dari yang dibutuhkan dalam saluran yang lebih luas. Selain itu, waktu mulai lapisan tengah jauh lebih awal daripada lapisan kontak.
Selain itu, kami menemukan bahwa laju aliran minyak berkurang dengan meningkatnya jarak dari sumbu saluran, dan laju aliran lapisan kontak menurun dengan menurunnya lebar saluran (Gbr. 2d-f). Untuk menggambarkan karakter ini secara kuantitatif, kami mempelajari koefisien difusi molekul minyak di lokasi yang berbeda jauh dari pusat saluran, yang diperoleh dari evolusi waktu perpindahan rata-rata menurut
dimana ri menunjukkan vektor posisi i partikel th, dan kurung sudut menunjukkan rata-rata ansambel. Gambar 5a menunjukkan bagaimana koefisien difusi lapisan bergantung pada posisi di nanochannel. Kurva saluran 4 nm dan saluran 6 nm menyajikan gaya parabola, yaitu, ke arah permukaan saluran, koefisien difusi lapisan menurun secara bertahap. Saluran 6 nm menunjukkan perbedaan terbesar antara nilai tinggi dan nilai rendah sebesar 4,4 m
2
/s, sedangkan saluran 2-nm memiliki perbedaan minimum 0,016 m
2
/S. Koefisien difusi lapisan dalam saluran 2 nm sedikit berbeda, sehingga permukaan depan oli terlihat seperti piston. Selain itu, kami menemukan bahwa koefisien difusi lapisan pada jarak yang sama dari permukaan saluran cukup berbeda untuk berbagai saluran (Gbr. 5a). Misalnya, koefisien difusi lapisan yang berkontak dengan permukaan saluran bawah dalam saluran 6 nm adalah 3,9 m
2
/s, sedangkan pada saluran 2 nm hanya 0,02 m
2
/S. Ini berarti bahwa laju aliran lapisan pada jarak yang sama dari permukaan saluran meningkat dengan meningkatnya lebar saluran.
Pada Gambar 5b, kami menyajikan energi interaksi rata-rata antara molekul minyak di lokasi yang berbeda jauh dari pusat saluran dan saluran. Energi interaksi jelas lebih besar di kedua ujung kurva dan berkurang dengan cepat dalam 1 nm karena substrat memiliki adsorpsi yang kuat pada molekul minyak dalam kisaran 1 nm, dan ini adalah salah satu alasan lambatnya permulaan lapisan kontak. Namun, energi interaksi antara molekul minyak dan saluran tidak dapat menjelaskan secara memadai bentuk permukaan depan, karena nilainya untuk lapisan di luar kisaran adsorpsi kuat hampir sama. Permukaan depan parabola tidak hanya berhubungan dengan interaksi antara minyak dan saluran tetapi juga dengan interaksi antar molekul minyak. Interaksi antarmolekul berkontribusi pada viskositas fluida, yang memainkan peran penting dalam transfer momentum dalam fluida viskoelastik. Karena kisaran adsorpsi saluran pada minyak adalah sekitar 1 nm, beberapa lapisan terletak di daerah tersebut, seperti yang ditandai oleh bayangan pada Gambar. 6. Interaksi permukaan yang kuat antara minyak dan substrat menghalangi pengangkutan lapisan minyak dalam bayangan. Momentum ditransfer dari lapisan di luar bayangan ke lapisan dalam bayangan. Jumlah atom yang keluar dari bayangan berkurang dengan menurunnya lebar saluran. Dengan demikian, lebih sedikit momentum yang ditransfer ke lapisan dalam bayangan di saluran yang lebih sempit. Jadi, kecepatan difusi lapisan kontak berkurang dengan berkurangnya lebar saluran.
a , b , c Skema kisaran adsorpsi antara minyak dan substrat
Efek Polaritas
Minyak serpih selalu mengandung komponen minyak kutub, dan komponen minyak kutub ini memainkan peran penting dalam adsorpsi antarmuka minyak/silika [21, 32], jadi memahami dampaknya terhadap transportasi minyak sangat penting. Dengan fenol dan piridin misalnya, kami melakukan simulasi dalam saluran 4-nm, dan nomor atom fenol dan piridin kira-kira sama dengan nomor atom oktadekana dalam saluran 4-nm. Cuplikan piridin, fenol, dan oktadekana dalam saluran silika pada 2 ns ditunjukkan pada Gambar. 7. Dibandingkan dengan molekul oktadekan, molekul fenol dan molekul piridin hampir tidak dapat digerakkan oleh gaya tarik. Garis putus-putus pada Gambar. 8 menunjukkan perpindahan COM dari molekul minyak yang berbeda setelah simulasi MD 2 ns. Meskipun gaya tarik pada setiap atom adalah sama, perpindahan COM dari oktadekana hampir 16 kali lebih besar dari perpindahan COM dari fenol dan piridin.
Cuplikan a piridin, b fenol, dan c transportasi octadecane di saluran silika 4 nm pada 2 ns
Perpindahan COM minyak pada 2 ns dan energi interaksi rata-rata (total, vdW, dan elektrostatik) antara komponen yang berbeda dan saluran
Untuk memahami hasil ini, kami menghitung energi interaksi total, interaksi vdW, dan interaksi elektrostatik antara komponen yang berbeda dan saluran. Histogram pada Gambar 8 menggambarkan bahwa energi interaksi total antara fenol (piridin) dan substrat silika lebih besar daripada antara oktadekana dan saluran silika. Karena molekul octadecane adalah rantai, molekul non-polar, interaksi total antara molekul octadecane dan saluran dihasilkan terutama dari interaksi vdW, dan ada sedikit interaksi elektrostatik, sedangkan kontribusi interaksi vdW dan interaksi elektrostatik antara fenol (piridin) dan saluran untuk interaksi total hampir sama.
Untuk menyelidiki pengaruh polaritas pada transportasi minyak, kami menghitung momentum dipol dari tiga molekul menggunakan simulasi prinsip pertama. Rincian kinerja mengikuti pekerjaan kami sebelumnya [33,34,35,36]. Hasil penelitian menunjukkan bahwa momentum dipol octadecane, phenol, dan pyridine berturut-turut adalah 0,0322, 1,3059, dan 2,2449 Debye. Hal ini menunjukkan bahwa molekul minyak polar jauh lebih sulit untuk digerakkan daripada molekul nonpolar di nanochannel. Tetapi perpindahan COM minyak tidak selalu meningkat dengan menurunnya polaritas. Untuk dua molekul minyak polar, polaritas fenol lebih lemah dari polaritas piridin, tetapi perpindahan COM dari mereka hampir sama.
Pengaruh Jenis Material
Karakter transportasi molekul minyak juga dibandingkan di antara saluran nano yang dibuat dari berbagai jenis bahan, termasuk silika, emas, dan kalsit. Gambar 9 menunjukkan snapshot dari molekul octadecane dalam kalsit dan saluran emas pada 2 ns. Gambar 9a menunjukkan transportasi yang berbeda dari molekul minyak di saluran kalsit, menunjukkan bahwa molekul oktadekana di kalsit juga dapat didorong oleh gaya tarik, sedangkan molekul dalam saluran emas hampir tidak dapat bergerak (Gbr. 9b).
Cuplikan transportasi octadecane dalam 4 nm a saluran kalsit dan b saluran emas pada 2 ns. Kode warna untuk atom:hijau, kalsium; kuning, emas
Gambar 10 menunjukkan perpindahan COM molekul octadecane dalam saluran berbagai bahan dan energi interaksi rata-rata antara minyak dan saluran bahan yang berbeda. Perpindahan COM minyak di saluran silika jauh lebih besar daripada di saluran emas. Fenomena tersebut dapat dijelaskan oleh efek interaksi antara molekul minyak dan saluran. Interaksi rata-rata jauh lebih kecil antara molekul minyak dan saluran silika daripada antara molekul minyak dan saluran emas. Tetapi untuk pengangkutan molekul minyak di saluran silika dan di saluran kalsit, faktor ini tidak dapat menjelaskan perbedaannya secara memadai. Energi interaksi rata-rata antara molekul minyak dan saluran silika tampaknya tidak jauh berbeda dari antara molekul minyak dan saluran kalsit, tetapi perpindahan COM dalam dua kasus sangat berbeda. Alasannya mungkin berkorelasi dengan atom permukaan dan tekstur permukaan. Hasil ini menunjukkan bahwa transportasi minyak sangat dipengaruhi oleh interaksi antara molekul minyak dan saluran, tetapi ketika nilai energi interaksinya sama, transportasi minyak di saluran nano adalah persaingan di antara faktor-faktor tersebut.
Perpindahan COM minyak pada 2 ns dan energi interaksi rata-rata antara minyak dan substrat dari bahan yang berbeda
Pengaruh Kekasaran Permukaan
Seperti diketahui, kekasaran permukaan berukuran nano memiliki sedikit pengaruh pada aliran fluida di dalam saluran berukuran mikro. Namun, telah ditunjukkan bahwa kekasaran permukaan berukuran nano memiliki pengaruh besar pada transportasi fluida di nanochannels [37,38,39]. To investigate the effect of roughness on transportation of octadecane, we construct rough surfaces by cutting out a small amount of atoms from the substrate surface, so that a cavity with a depth of d = 3 Å (or 6 Å) and a width of 35 Å is formed on substrate surface. The naked oxygen atoms were modified by hydrogen atoms. Five and ten octadecane molecules are added to 3 Å cavity and 6 Å cavity, respectively, and the external force is increased correspondingly. Figure 11 shows the comparison of snapshots for octadecane flowing through rough channel with cavity depths of 3 and 6 Å at 2 ns. We observe that inside every cavity, there are some oil molecules, and their localizations are affected by the cavity, which results in a reduction of velocity values inside the cavity, as well as the velocity of oil molecules nearby. And this becomes more obvious when d = 6 Å, as shown in Fig. 11b. To quantify the influence of roughness on transportation, we further calculate the COM displacement of oil in rough channels. The COM displacements of oil in channels with 3 and 6 Å depth cavity are 3.95 and 3.07 Å, respectively. When d = 6 Å, the value of oil displacement is 3.07 Å, which is smaller than the value 3.17 Å of oil molecules in flat channel. Somewhat surprisingly, however, for d = 3 Å, the displacement is even larger than that in flat channel. We expect that these characters are contributed by two parts:(1) the cavity increases the width of the nanochannel so that the oil molecules have a greater diffusion coefficient according to the above discussion, which facilitates the transportation of oil; (2) the oil molecules in cavity can suppress the transportation of oil molecules nearby and therefore decrease the oil transportation speed. For the oil molecules in channel with d = 3 Å, the effect of suppression caused by the less oil molecules in cavity is less than the effect of facilitation caused by the width increment. When d = 6 Å, the diffusion coefficient of oil molecules is further increased; however, more oil molecules are suppressed by the deeper cavity, and the effect of suppression on the transportation of oil molecules is more than that of facilitation, thereby reducing the oil displacement. Because of these complications, we cannot separate these parts and judge how much contribution of each part has on the displacement.
Snapshots of octadecane transportation in rough channel with the cavity depth of a 3 and b 6 Å at 2 ns
Conclusions
In this study, we investigate the mechanism of oil transportation in nanochannels using molecular dynamics simulations. It is demonstrated that the oil displacement in a 6 nm channel is over 30 times larger than that in a 2 nm channel, and the diffusion coefficient of oil molecules at the center of the 6 nm channel is almost two times more than that near the channel surface, due to interaction difference between the oil molecules and channels. Besides, we find that both the polarity of oil molecules and channel component have great effects on the interaction between oil molecules and channel in the channels with same width; the larger the interaction between oil molecules and channel is, the smaller the oil displacement is. Finally, we demonstrate that surface roughness can obviously affect oil transportation in nanochannels. The mechanism by which the cavity structure affects the transportation of oil is an intricate issue, which should be further studied. Our findings would contribute to revealing the mechanism of oil transportation in nanochannels and therefore are very important for design of oil extraction in nanochannels.
Singkatan
COM:
Center of mass
COMPASS:
Condensed-phase optimized molecular potential for atomistic simulation studies
