Sudut Kontak Minyak dalam Sistem Air-Decane-Silicon Dioxide:Pengaruh Muatan Permukaan
Abstrak
Keterbasahan minyak dalam sistem air-minyak-batuan sangat sensitif terhadap evolusi muatan permukaan pada permukaan batuan yang disebabkan oleh adsorpsi ion dan agen kimia lainnya dalam genangan air. Melalui serangkaian simulasi dinamika molekuler skala besar, kami mengungkapkan efek muatan permukaan pada sudut kontak minyak dalam sistem air-dekana-silikon dioksida yang ideal. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudut kontak minyak nano-tetesan memiliki ketergantungan yang besar pada muatan permukaan. Karena kerapatan muatan permukaan melebihi nilai kritis 0,992 e/nm
2
, sudut kontak mencapai hingga 78,8° dan keadaan air-basah sangat jelas. Variasi sudut kontak dapat dikonfirmasi dari distribusi kerapatan jumlah molekul minyak. Dengan meningkatnya kerapatan muatan permukaan, adsorpsi molekul minyak melemah dan area kontak antara tetesan nano dan permukaan silikon dioksida berkurang. Selain itu, distribusi densitas bilangan, distribusi RDF, dan orientasi molekul menunjukkan bahwa molekul minyak teradsorpsi pada permukaan silikon dioksida lapis demi lapis dengan orientasi sejajar dengan permukaan. Namun, struktur berlapis molekul minyak di dekat permukaan silikon dioksida menjadi semakin tidak jelas pada kerapatan muatan permukaan yang lebih tinggi.
Latar Belakang
Enhanced oil recovery (EOR) menjadi semakin penting dengan semakin sulitnya ekstraksi minyak mentah dari reservoir minyak [1, 2]. Di antara berbagai teknik EOR, banjir air adalah pendekatan yang mendominasi karena biayanya yang rendah dan efisiensinya yang tinggi. Banjir air adalah proses multiskala, termasuk proses fingering kental di reservoir berpori atau proses aliran dua fase dimana minyak mentah dipindahkan oleh air yang disuntikkan di saluran mikofluida. Akibatnya, banjir air dikendalikan oleh berbagai faktor dari skala pori hingga skala reservoir. Karena rasio permukaan-ke-volume yang besar dari reservoir minyak dan jumlah kapiler yang rendah dari proses perpindahan minyak, keterbasahan minyak dan air pada permukaan batuan berpori memiliki dampak besar pada aliran dua fase minyak-air dalam minyak. waduk. Oleh karena itu, keterbasahan permukaan batuan sangat penting untuk efisiensi perolehan minyak [3,4,5].
Umumnya, permukaan batuan yang basah oleh air bermanfaat untuk perpindahan minyak; namun, permukaan batuan awalnya tampak seperti minyak basah untuk adsorpsi molekul polar dari minyak penting dan lainnya. Dengan demikian, perubahan keterbasahan permukaan batuan dari oil-wet menjadi water-wet sangat penting untuk teknik EOR. Dalam genangan air, orang biasanya secara artifisial menambahkan beberapa bahan kimia (misalnya, surfaktan, polimer, ion, nanopartikel) ke dalam air yang disuntikkan untuk mewujudkan perubahan keterbasahan [6,7,8,9,10,11]. Misalnya, surfaktan terlarut dalam air yang diinjeksi dapat mengubah keterbasahan batuan reservoir ke keadaan yang lebih basah-air; secara umum diterima bahwa pembentukan pasangan ion dan adsorpsi molekul surfaktan melalui interaksi dengan komponen minyak mentah yang teradsorpsi pada permukaan batuan adalah dua mekanisme utama yang bertanggung jawab atas perubahan keterbasahan yang diinduksi surfaktan [12]. Untuk banjir air salinitas rendah, ekspansi lapisan ganda pada pengurangan salinitas dan pertukaran ion multikomponen adalah dua mekanisme bersaing khusus untuk perubahan keterbasahan reservoir batu pasir [13, 14]. Sementara untuk waterflooding berbasis nanopartikel, pelapisan sendiri dan struktur dimensi rendah dari nanopartikel di wilayah garis kontak tiga fase memberikan tekanan pemutusan struktural ke fase minyak dan akhirnya mendorong permukaan batuan basah minyak berubah menjadi air. -kondisi basah [15,16,17,18].
Terlepas dari berbagai teknik penggenangan air, mekanisme penting dari perubahan keterbasahan adalah perubahan interaksi tiga fase antara air-minyak-batuan yang diinduksi oleh agen kimia yang disuntikkan. Untuk interaksi air-minyak-batuan, interaksi elektrostatik memainkan peran penting dalam perubahan keterbasahan, karena agen kimia dapat menyerap ke permukaan batuan dan selanjutnya mengubah muatan permukaan. Misalnya, kation divalen dapat mendorong pengikatan komponen minyak asam ke permukaan batuan yang bermuatan negatif dan dengan demikian memodifikasi potensial listrik permukaan batuan dari negatif ke positif [19,20,21,22]. Sedangkan kimia air sendiri dapat mempengaruhi muatan pada permukaan batuan [23]. Dengan demikian, muatan permukaan jelas merupakan salah satu faktor terpenting yang mempengaruhi keterbasahan permukaan batuan. Puah dkk. [24] menunjukkan bahwa muatan permukaan mempengaruhi baik keterbasahan statis dan kinetika pembasahan permukaan padat. Mereka selanjutnya menegaskan bahwa sudut kontak statis menurun di atas dan di bawah titik muatan permukaan nol dengan cara seperti Lippman, sedangkan data sudut kontak dinamis dapat dijelaskan dengan baik oleh teori kinetik molekuler.
Karena keterbasahan tiga fase secara langsung berkaitan dengan interaksi molekuler antara air-minyak-batuan, studi wawasan molekuler sangat diperlukan untuk mengungkap efek muatan permukaan pada keterbasahan permukaan batuan [25, 26]. Dalam makalah ini, kami membangun permukaan silikon dioksida untuk memodelkan permukaan batuan silikat dan mempelajari keterbasahan tiga fasenya dengan mempertimbangkan muatan permukaan dengan menggunakan metode simulasi dinamika molekul (MD). Efek dari muatan permukaan dan mekanisme yang mendasarinya diharapkan terungkap dari aspek distribusi kerapatan nomor molekul, struktur molekul pada permukaan batuan, dll.
Metode
Sistem Simulasi
Kami mempelajari keterbasahan tiga fase dalam sistem model, di mana minyak dimodelkan sebagai dekana, sedangkan batuan dimodelkan sebagai silikon dioksida. Secara khusus, permukaan silikon dioksida dengan baik dapat mewakili reservoir batu pasir [11, 27, 28]. Untuk menghitung sudut kontak oli, oli dimasukkan ke dalam air sebagai tetesan silindris (lihat Gbr. 1). Untuk tetesan minyak silinder, efek tegangan garis pada perhitungan sudut kontak dapat dihilangkan. Untuk membangun substrat silikon dioksida, satu set sel unit trigonal -kuarsa dirakit di [100], [010], dan [001] arah, masing-masing. Kemudian, kristal -kuarsa diubah dari belah ketupat menjadi kubus dengan ukuran 15 × 15 × 1 nm
3
. Banyak perhatian harus diberikan untuk mendapatkan struktur permukaan yang realistis; sama dengan prosedur Puibasset et al. [29], kristal pertama dipotong sepanjang (111) permukaan kristalografi dan atom silikon dalam tetrahedron yang tidak lengkap dihilangkan. Kemudian, atom oksigen nonbridging, yang terikat hanya pada satu atom silikon, dijenuhkan dengan atom hidrogen. Yaitu, sisi atas dan bawah substrat silikon dioksida keduanya jenuh dengan atom hidrogen. Oleh karena itu, kita cukup mengubah muatan permukaan dengan menambahkan muatan parsial ke atom hidrogen teratas pada permukaan silikon dioksida, sementara seluruh sistem tetap dinetralkan dengan menambahkan muatan parsial ekivalen dengan nilai terbalik ke atom hidrogen bawah. Struktur molekul dekana dan air juga ditunjukkan pada Gambar. 1.
Ilustrasi skema sistem simulasi. Tampilan samping sistem simulasi dengan kubus minyak yang dikelilingi oleh air di atas substrat silikon dioksida (kiri) dan tampilan atom dekana dan molekul air (kanan)
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, air dan minyak pada awalnya disusun di atas substrat silikon dioksida dan kubus minyak dikelilingi oleh tiga kubus air dengan ukuran berbeda. Kubus minyak memiliki dimensi 5 × 15 × 5 nm
3
dan terletak di bagian tengah substrat. Dimensi kubus air sisi kiri dan kanan sama dengan kubus minyak, sedangkan kubus air sisi atas adalah 15 × 15 × 5 nm
3
. Jumlah molekul air dan dekana ditentukan oleh ukuran kubus dan densitas air dan minyak pada kondisi 300 K dan 1 bar. Massa jenis air dan minyak adalah 1.000 dan 0,725 g/cm
3
, masing-masing; dengan demikian, jumlah molekul air dan dekana masing-masing adalah 58.319 dan 1150. Susunan molekul diimplementasikan dalam perangkat lunak Material Studio; awalnya, mereka didistribusikan secara acak di kotak khusus. Kemudian dilakukan perhitungan minimisasi energi untuk mengoptimalkan geometri molekul. Saat simulasi mencapai keadaan ekuilibrium, kotak minyak berevolusi menjadi tetesan silindris, sedangkan tiga kotak air dapat bergabung bersama membentuk fase kontinu di sekitar tetesan minyak.
Model MD
Simulasi MD kami dilakukan menggunakan platform LAMMPS (simulator paralel masif atom/molekul skala besar). Simulasi dilakukan dalam ansambel NVT dengan suhu 300 K. Simulasi berjalan total selama 5 juta langkah waktu dengan langkah waktu 1 fs. Koordinat atom dicatat setiap 10.000 langkah waktu untuk mengamati evolusi tetesan minyak dan akhirnya menghitung sudut kontak. Sistem dapat mencapai keadaan setimbang dalam sekitar dua juta langkah waktu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dengan demikian, koordinat atom selama satu juta langkah terakhir diadopsi untuk merata-ratakan distribusi kerapatan nomor molekul. Kondisi batas periodik diterapkan dalam x - dan y -arah, sedangkan kondisi batas reflektif diterapkan di z -arah. Selama simulasi, atom-atom curah SiO2 tetap, tetapi atom O dan H permukaan fleksibel di bawah kendali termostat Nose-Hoover.
Prosedur perhitungan untuk sudut kontak tetesan minyak silinder
Interaksi atom antara air-dekana-silikon dioksida semua dimodelkan oleh 12-6 potensial Lennard-Jones digabungkan dengan istilah kutub untuk mempertimbangkan gaya Van der Waal dan Coulomb [30,31,32], sebagai berikut:
dimana ε adalah parameter energi, σ adalah parameter panjang, qi dan qj adalah muatan pada atom i dan j , C adalah konstanta elektrostatik, dan χ adalah konstanta dielektrik. Rpotong adalah jarak cutoff untuk gaya Van der Waal dan gaya elektrostatik jarak pendek. Jarak batas diatur ke 10 Å. Dalam simulasi, gaya elektrostatik jarak jauh dipertimbangkan dengan menggunakan metode partikel-partikel-partikel-mesh. Untuk mendapatkan parameter potensial dalam Persamaan. (1), model TIP3P diadopsi untuk H2 molekul O [33]; untuk molekul dekana, medan gaya OPLS-AA diadopsi [34]; untuk substrat silikon dioksida, medan gaya CVFF diadopsi [35]. Parameter potensial tak terikat yang digunakan dalam sistem simulasi tercantum pada Tabel 1. Aturan Lorentz-Berthelot digunakan untuk mendapatkan parameter potensial antar atom yang bersilangan. Interaksi ikatan dan interaksi dihedral antara atom kembar empat dalam satu molekul juga dipertimbangkan dengan baik. Untuk interaksi ikatan diterapkan model harmonik, sedangkan untuk interaksi dihedral diterapkan model potensial OPLS [36].
Perhitungan Sudut Kontak
Keterbasahan permukaan silikon dioksida dicirikan oleh sudut kontak minyak, yang diperoleh berdasarkan distribusi densitas molekul minyak dalam tetesan nano. Pada tahap awal simulasi, tetesan minyak berevolusi dari kubus menjadi semi-silinder dan mencapai keadaan setimbang; proses keseimbangan ini biasanya membutuhkan dua juta langkah waktu, yang dapat dikonfirmasi dari variasi waktu pusat massa tetesan minyak. Pada keadaan setimbang, koordinat pusat massa tetap konstan di z -arah. Karena distribusi densitas molekul minyak perlu dirata-ratakan untuk konfigurasi kesetimbangan minyak-air, untuk memastikan dua kali lipat, kami hanya mengumpulkan koordinat atom dalam satu juta langkah waktu terakhir untuk mendapatkan distribusi densitas. Untuk rata-rata kepadatan nomor molekul, zona minyak/air dibagi menjadi banyak sel kubik biasa dengan ukuran 2 × 2 × 2 Å
3
. Dengan rata-rata tepat waktu jumlah atom yang muncul di setiap sel, kontur 3D dan kontur 2D di x -z bidang distribusi densitas minyak nano-tetesan dapat diperoleh. Perlu dicatat bahwa kontur 2D di x -z bidang diperoleh dengan merata-ratakan kontur 3D lebih lanjut di y -arah. Dengan kontur 2D, antarmuka minyak-air diidentifikasi berdasarkan aturan berikut; pada antarmuka, jumlah kerapatan atom minyak dalam sel antarmuka adalah setengah dari kerapatan dalam sel fase curah tetesan minyak (ρb ). Mempertimbangkan ketebalan antarmuka, lokasi sel tersebut didefinisikan sebagai antarmuka jika kepadatan dalam sel berada dalam kisaran 0,2ρb menjadi 0,8ρb . Dengan menggunakan metode di atas, titik-titik diskrit pada antarmuka dapat diidentifikasi. Akhirnya, kami memperoleh profil antarmuka dengan memasang titik-titik diskrit ini sebagai lingkaran dan menghitung sudut kontak tetesan minyak. Dalam pemasangan, posisi tengah (x0 , z0 ) dan jari-jari r lingkaran harus diperoleh. Sudut kontak θ dapat dihitung sebagai θ = arccos(d /r ), di mana d adalah jarak antara pusat lingkaran dan garis dasar permukaan batuan di z -arah (d = zbz0 , zb adalah z -posisi garis dasar, zb = 12.16 Å). Jika jaraknya bernilai negatif, pusat lingkaran berada di atas permukaan batu dan sudut kontak pasti melebihi 90°. Seluruh prosedur perhitungan sudut kontak secara eksplisit digambarkan pada Gambar 2. Untuk mendapatkan sudut kontak sedemikian rupa, cukup dengan menganalisis tetesan minyak silinder dalam sistem koordinat Cartesian.
Karena kurangnya data efektif tentang sudut kontak tetesan minyak yang dikelilingi air pada substrat silikon dioksida, kami memvalidasi model simulasi kami dengan membandingkan sudut kontak tetesan air bulat pada substrat silikon dioksida. Kami melakukan simulasi individu untuk mendapatkan sudut kontak tetesan nano air dengan 4179 molekul. Perlu dicatat bahwa dalam simulasi validasi, gugus hidroksil pada permukaan substrat silikon dioksida difiksasi saat pekerjaan representatif lainnya dilakukan. Sudut kontak yang diukur adalah 7,8°, yang sesuai dengan yang dilakukan oleh Pafong et al. [37]. Mereka melaporkan sudut kontak air 7,0°, yang menyajikan deviasi relatif hanya 10,3%. Kesepakatan yang baik ini menunjukkan bahwa model dan metode simulasi kami dapat diandalkan.
Hasil dan Diskusi
Sudut Kontak
Dengan menghitung sudut kontak tetesan minyak silinder, variasi sudut kontak dengan kerapatan muatan permukaan dapat diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Dapat dilihat dengan jelas dari gambar ini bahwa sudut kontak memiliki ketergantungan yang besar pada muatan permukaan. kepadatan; dari permukaan bermuatan negatif ke permukaan bermuatan positif, sudut kontak tetesan minyak meningkat secara signifikan. Ini berarti bahwa permukaan batuan berubah dari keadaan basah minyak ke keadaan basah air karena muatan permukaan meningkat dari nilai negatif ke nilai positif. Kontur kepadatan rata-rata di x -z bidang pada berbagai kerapatan muatan permukaan juga dimasukkan dalam gambar ini untuk memiliki pemahaman intuitif tentang variasi keterbasahan permukaan.
Variasi sudut kontak dengan kerapatan muatan permukaan. Gambar kontur tetesan minyak pada kepadatan muatan permukaan yang berbeda juga dimasukkan
Kita juga dapat menemukan dari Gambar. 3 bahwa permukaan batuan menunjukkan keadaan basah-air yang sangat jelas karena kerapatan muatan permukaan meningkat hingga 0,992 e/nm
2
. Di bawah nilai kritis ini, variasi sudut kontak dengan kerapatan muatan permukaan tidak jelas; di luar nilai kritis ini, sudut kontak mencapai hingga 78,8° dan keadaan basah-air sangat terlihat. Dipercaya bahwa variasi sudut kontak dengan muatan permukaan disebabkan oleh perubahan intensitas air-silikon dioksida dan minyak-silikon dioksida, karena muatan permukaan mempengaruhi interaksi antara air-silikon dioksida dan interaksi antara minyak-silikon. dioksida. Perlu dicatat secara khusus bahwa hasil simulasi berdasarkan sistem ideal ini tidak dapat langsung dibandingkan silang dengan studi eksperimental untuk mengungkapkan keterbasahan yang bergantung pada salinitas dalam sistem minyak-air-batuan. Dalam studi eksperimental, kation dalam fase air mungkin memiliki efek memodifikasi potensial listrik permukaan batuan dari negatif ke positif, tetapi ini jelas bukan satu-satunya efeknya. Efek potensial lain dari kation mungkin termasuk pertukaran multi-ion dan ekspansi lapisan ganda dll. [21, 38,39,40]. Oleh karena itu, sangat berbeda untuk kasus perubahan muatan permukaan dan perubahan konsentrasi kation dalam air. Dengan demikian, tren variasi sudut kontak dengan kerapatan muatan permukaan dan konsentrasi kation mungkin berbeda. Dalam studi simulasi ini, kami hanya membahas pengaruh muatan parsial pada permukaan silikon dioksida pada keterbasahan tiga fase dalam sistem minyak-air-batuan yang sangat ideal. Hasil ini tidak dapat secara langsung mengungkapkan mekanisme banjir air salinitas rendah dan memandu penerapannya dalam peningkatan perolehan minyak, tetapi dapat memberikan pemahaman dasar tentang bagaimana muatan permukaan mempengaruhi keterbasahan tiga fase. Studi ini masih penting karena mengungkap peran besar muatan permukaan pada keterbasahan tiga fase dalam sistem air-dekana-silikon dioksida.
Distribusi Kepadatan
Untuk mengungkap mekanisme sudut kontak yang bergantung pada kerapatan muatan, kami menganalisis distribusi kerapatan molekul minyak di sepanjang arah ketinggian (z -arah). Gambar 4a memberikan kerapatan rata-rata molekul minyak di setiap lapisan dengan lebar 0,2 nm sepanjang arah ketinggian. Seperti yang terlihat dari gambar ini, di bagian bawah tetesan silindris (yaitu, di dekat permukaan substrat), densitas minyak tinggi dan menunjukkan distribusi fluktuasi; Fenomena ini berarti bahwa molekul minyak teradsorpsi pada permukaan substrat dalam struktur berlapis. Di bagian atas tetesan silinder, kerapatan rata-rata turun ke nilai mendekati nol, karena bagian atas tetesan yang berbentuk busur membuat jumlah molekul minyak di lapisan paralel semakin sedikit saat lapisan mendekati bagian atas. tetesan itu. Sementara itu, kita dapat menemukan bahwa, ketika muatan permukaan berubah dari nilai negatif ke nilai positif, jumlah kerapatan dalam lapisan adsorpsi berkurang secara bertahap; ini menunjukkan bahwa intensitas adsorpsi molekul minyak melemah dengan meningkatnya muatan permukaan. Pelemahan adsorpsi molekul minyak lebih lanjut berarti area kontak yang lebih kecil antara permukaan substrat dan tetesan minyak dan karenanya sudut kontak yang lebih besar dari tetesan minyak. Meningkatnya sudut kontak tetesan minyak juga dapat tercermin dari variasi ketinggian tetesan minyak dengan muatan permukaan. Seperti yang terlihat dari Gambar 4a, ketinggian tetesan minyak meningkat dengan meningkatnya muatan permukaan; ini berarti bahwa pada muatan permukaan yang lebih tinggi, tetesan minyak lebih ramping dan sudut kontak lebih besar. Pelemahan adsorpsi molekul minyak pada muatan permukaan positif dapat dikonfirmasi dari energi sistem sistem air-dekana-silikon dioksida. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, energi sistem rata-rata waktu meningkat dengan meningkatnya muatan permukaan. Semakin tinggi energi sistem positif, semakin lemah gaya tarik antara molekul minyak dan silikon dioksida. Gambar yang disisipkan menunjukkan variasi waktu dari energi sistem untuk permukaan silikon dioksida netral.
a Distribusi densitas molekul minyak di sepanjang z -arah; b Energi sistem rata-rata waktu pada kerapatan muatan permukaan yang berbeda
Variasi sudut kontak dengan muatan permukaan juga dapat dicerminkan dari distribusi kerapatan nomor molekul sepanjang x -arah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, distribusi kerapatan bilangan di sepanjang x -arah di x -y pesawat dengan ketinggian 1,9 nm di z -direction menyajikan platform di bagian tengah. Lebar platform terkait dengan luas penampang tetesan di x -y bidang, sedangkan ketinggian platform terkait dengan kerapatan nomor molekul dalam tetesan. Lebar dan tinggi platform sangat bervariasi pada muatan permukaan yang berbeda, yang sesuai dengan berbagai bentuk tetesan silinder dan tentu saja sudut kontak yang berbeda. Untuk sudut kontak yang lebih rendah, platform lebih lebar; untuk sudut kontak yang lebih tinggi, platform lebih sempit. Perlu dicatat bahwa ketinggian platform untuk kerapatan muatan permukaan 7,936 e/nm
2
sangat rendah, karena di dekat permukaan silikon dioksida distribusi densitas memiliki fluktuasi yang besar (lihat Gambar 4a) dan, dalam beberapa kasus, densitas molekul pada ketinggian 1,9 nm hanya terletak di bagian terendah dari distribusi densitas.
Distribusi densitas molekul minyak di sepanjang x -arah di x -y pesawat dengan ketinggian 1,9 nm di z -arah
Kami juga memperoleh distribusi kerapatan muatan negatif atom di dalam tetesan silinder, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Pada dasarnya, muatan negatif menyajikan distribusi yang sangat tidak seragam. Di zona yang berdekatan dengan permukaan silikon dioksida, kerapatan muatan negatif sangat tinggi, sedangkan di zona yang jauh dari permukaan silikon dioksida, muatan negatif terdistribusi secara merata. Sementara itu, di zona densitas tinggi yang berdekatan dengan permukaan silikon dioksida, muatan negatif mendistribusikan lapis demi lapis. Distribusi berlapis muatan negatif berhubungan langsung dengan struktur berlapis molekul minyak di dekat permukaan silikon dioksida, karena muatan negatif secara langsung berasosiasi dengan atom karbon dalam molekul minyak. Selain itu, kita dapat menemukan bahwa distribusi densitas muatan negatif memiliki sedikit perbedaan pada densitas muatan permukaan yang berbeda. Ketika kerapatan muatan permukaan meningkat, distribusi muatan negatif berlapis menjadi semakin tidak jelas. Ini terkait dengan area kontak yang berkurang dari tetesan nano dengan permukaan silikon dioksida; pada densitas muatan permukaan yang tinggi, area kontak berkurang dan struktur berlapis molekul minyak menjadi tidak terlihat karena interaksi solvasi yang melemah.
Distribusi kerapatan muatan negatif di dalam tetesan minyak silinder di x -z pesawat. 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
. saya 5.952 e/nm
2
. j 7.936 e/nm
2
Struktur Molekul
Struktur molekul dalam sistem air-dekana-silikon dioksida juga sangat penting untuk memahami keterbasahan tiga fase. Kami mencoba menganalisis struktur molekul minyak dan air dari fungsi distribusi radial (RDF, g (r ) [41]) dan orientasi molekul. Gambar 7 menunjukkan distribusi RDF molekul minyak dan air serta orientasi molekul minyak pada permukaan silikon dioksida netral. Distribusi RDF dari pasangan atom O–O dan C–C sama sekali berbeda (lihat Gambar 7a), yaitu, distribusi RDF atom C–C memiliki lebih banyak gelombang daripada atom O–O dan nilai puncak gelombang untuk atom C-C lebih tinggi. Digabungkan dengan makna fisik fungsi RDF, dapat dengan mudah disimpulkan bahwa molekul minyak teradsorpsi kuat pada permukaan silikon dioksida dengan beberapa lapisan, sedangkan molekul air teradsorpsi lemah dan hanya satu lapisan adsorpsi yang muncul. Fenomena adsorpsi juga dapat dilihat dari peta yang disisipkan pada Gambar 7a, di mana potret kesetimbangan molekul minyak dan air pada permukaan silikon dioksida netral ditampilkan. Lapisan adsorpsi molekul minyak yang jelas dapat dikonfirmasi dari distribusi kerapatan jumlah pada Gambar. 4a. Secara umum, struktur berlapis molekul cair pada permukaan padat terkait dengan interaksi cair-padat. Untuk interaksi cair-padat yang kuat, molekul-molekul cair di dekat permukaan padat mendistribusikan lapis demi lapis sepanjang arah normal ke permukaan, sedangkan untuk interaksi cair-padat yang lemah, struktur berlapis molekul cair tidak terlalu terlihat [42] ]. Dalam penelitian ini, interaksi antara air dan silikon dioksida relatif lebih lemah dibandingkan dengan interaksi antara minyak dan silikon dioksida. Dengan demikian, struktur berlapis molekul minyak di dekat permukaan padat lebih jelas daripada struktur molekul air.
Struktur molekul pada permukaan silikon dioksida netral. a Distribusi RDF dari molekul minyak dan air. b Orientasi molekul minyak yang terletak pada ketinggian yang berbeda di z -arah
Untuk lebih mencerminkan orientasi molekul minyak rantai panjang pada permukaan silikon dioksida, kami memperoleh sudut antara molekul minyak dan permukaan silikon dioksida untuk molekul yang terletak pada ketinggian yang berbeda di z -arah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b. Sudut θ didefinisikan sebagai sudut persilangan antara garis dasar permukaan silikon dioksida dan garis tengah molekul minyak, di mana garis tengah didefinisikan sebagai garis rata-rata dari garis penghubung antara C1 dan C6 dan garis penghubung antara C1 dan C10 . Urutan nomor atom karbon dalam suatu molekul minyak dimulai dari satu sisi ujung molekul yang lebih berdekatan dengan permukaan silikon dioksida. Definisi sudut θ juga disisipkan pada Gambar. 7b. Seperti yang terlihat dari gambar ini, sudut sebagian besar molekul minyak sangat kecil, terutama untuk molekul minyak di dekat permukaan silikon dioksida. Ini berarti bahwa molekul minyak teradsorpsi pada permukaan silikon dioksida dengan orientasi sejajar dengan permukaan. Fenomena ini juga dapat dikonfirmasi dari peta yang disisipkan pada Gambar. 7a.
Kesimpulan
Menggunakan simulasi MD, kami mempelajari efek kepadatan muatan permukaan pada sudut kontak minyak dalam sistem air-dekana-silikon dioksida. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sudut kontak minyak nano-tetesan meningkat secara signifikan sebagai muatan permukaan meningkat dari nilai negatif ke nilai positif. Karena kerapatan muatan permukaan melebihi nilai kritis 0,992 e/nm
2
, sudut kontak mencapai hingga 78,8° dan keadaan air-basah sangat jelas. Variasi sudut kontak dapat dikonfirmasi dari distribusi densitas molekul minyak di sepanjang x - dan z -arah. Penurunan jumlah densitas molekul minyak pada lapisan adsorpsi dan peningkatan tinggi droplet minyak keduanya berarti sudut kontak yang lebih besar dari droplet minyak pada densitas muatan permukaan yang lebih tinggi. Karena struktur berlapis molekul minyak di dekat permukaan silikon dioksida, muatan negatif yang berdekatan dengan permukaan silikon dioksida di dalam tetesan minyak juga mendistribusikan lapis demi lapis. Ketika kerapatan muatan permukaan meningkat, distribusi berlapis muatan negatif (molekul minyak) menjadi semakin tidak jelas karena interaksi minyak-silikon dioksida yang melemah. Distribusi RDF molekul minyak dan air dan distribusi orientasi molekul juga menunjukkan bahwa molekul minyak teradsorpsi pada permukaan silikon dioksida lapis demi lapis dengan orientasi sejajar dengan permukaan. Hasil ini memiliki implikasi yang signifikan untuk memahami perubahan keterbasahan yang disebabkan oleh ion dan agen kimia lainnya dalam fase air, terutama untuk memahami peran besar muatan permukaan pada keterbasahan tiga fase dalam sistem air-dekana-silikon dioksida.
Singkatan
CVFF:
Medan gaya valensi yang konsisten
EOR:
Pemulihan minyak yang ditingkatkan
LAMMPS:
Simulator paralel masif atom/molekul skala besar
MD:
Dinamika molekuler
OPLS-AA:
Potensi yang dioptimalkan untuk simulasi cair medan gaya semua atom
