水驱油藏中原油极性物质对吸附和润湿性影响的分子模拟

为了研究水驱油藏中原油极性物质的吸附机理及其对油藏表面润湿性的影响,构建以石英为代表的砂岩岩石骨架模型,己烷为代表的非极性物质模型和以甲苯、胶质和沥青质为代表的极性物质模型,运用分子模拟方法研究4种原油组分和水分子在砂岩油藏表面竞争吸附过程和润湿状态。结果表明：水与4种原油组分在石英矿物表面竞争吸附时,原油中的非极性物质会比极性物质更加容易脱附。极性物质会随着时间的变化逐渐吸附在矿物表面,非极性的物质会随着时间变化逐渐远离矿物表面。吸附过程中静电力起吸附作用,范德华力起排斥作用。最后结合润湿性实验结果,从机理上解释了不同原油组成对润湿性的影响,即原油组分中极性物质含量越高,胶质沥青质含量越大,岩石表面油湿性越大,且水驱过程中润湿性向亲水方向变化越难。结论对提升水驱油藏采收率影响因素的认识有重要意义。     

分子动力学模拟方解石和白云石润湿性

利用分子动力学模拟研究油水分子在方解石和白云石表面的吸附,分析体系的平衡构型、相对浓度、径向分布函数和吸附能,研究方解石和白云石的亲水性并对比二者差异.根据油水分子吸附规律分析方解石/白云石-油水体系作用机理.研究表明：白云石-油水体系更易达到热力学稳定状态并且体系更加稳定;方解石和白云石表面均能够优先吸附水分子并在表面形成双层结构的水膜.其中,白云石表面对水分子吸附强度大于方解石;稳定吸附过程分为两步：范德华力、静电力和O（CaCO₃,CaMg（CO₃）₂）-H（H₂O）氢键共同影响下水分子向晶体表面移动并吸附形成紧密吸附层;O（H₂O）-H（H₂O）氢键作用下游离的H₂O向晶体表面靠近形成扩散层.从分子尺度解释方解石/白云石亲水特性,为碳酸盐岩储层润湿性研究奠定理论基础.     

两种不同极性有机小分子在方解石(104)面吸附的密度泛函研究

利用密度泛函理论研究苯甲酸和甲苯两种不同极性的有机小分子在方解石（104）面的吸附特征，分析极性对有机小分子吸附的影响.结果表明：苯甲酸趋向于以分子态、单齿吸附模式倾斜吸附于方解石（104）面，吸附能为-1.394 eV；甲苯平行吸附于方解石（104）面，吸附能为-0.362 eV.有机小分子吸附于方解石（104）面过程中体系的几何结构和电子结构发生明显变化.苯甲酸分子几何结构变化幅度远大于甲苯.苯甲酸与方解石（104）面之间形成Ca-O离子键和H-O共价键，甲苯与方解石（104）面之间仅存在微弱的氢键相互作用.苯甲酸和甲苯等两种不同极性有机小分子在方解石（104）面的吸附特征和吸附机理存在较大的差异，苯甲酸分子的吸附强度远高于甲苯.本文揭示了不同极性有机小分子在方解石（104）面的吸附机理，为提高油藏采收率和矿物浮选等工程问题提供理论依据.     

分子动力学模拟研究方解石表面油膜脱附机理

本文重点研究油湿型方解石表面的形成过程和方解石表面油膜在SO_4~(2-)作用下脱附的过程,从分子尺度探究油膜形成机理和SO_4~(2-)作用机理.首先,为模拟碳酸盐岩油藏实际而建立油湿型方解石表面.范德华力和静电作用下油分子运动到方解石表面形成双层结构的油膜,方解石表面由水湿变为油湿.结果表明,与第二层相比,第一层排列更有序,结构更稳定,对润湿性影响更大.而后,研究方解石表面油膜在SO_4~(2-)作用下脱附的过程和作用机理.方解石表面油膜的脱附可以分为两步:静电作用下水通道的形成;氢键作用下水膜的形成.最终,方解石表面由油湿变为水湿.研究表明:SO_4~(2-)参与了方解石表面油膜脱附过程中重要的静电力作用和氢键作用,加速了水通道和水膜的形成,加速了方解石表面油膜的脱附,对储层润湿性影响较大.     

水分子链受限于单壁碳纳米管结构的密度泛函理论研究

本文采用第一性原理的密度泛函理论,主要以(6,6)Armchair型,(11,0)Zigzag型单壁碳纳米管为研究对象,研究了水分子链在碳纳米管内部吸附的稳定结构,以及结合能随其结构的变化.结果表明:当水分子链受限于碳纳米管内部时,引起碳纳米管直径收缩,这主要是由于水分子链与碳纳米管之间的氢键作用以及范德华弱相互作用所引起的.随着碳纳米管半径的增加,两种单体之间的结合能逐渐减小,但当碳纳米管半径增加至6.78时,其结合能又有所增加,这是由于在优化过程中,水分子链单体之间的氢键作用大于水分子链与碳纳米管之 关键词： 水分子链/单壁碳纳米管 密度泛函理论 结构稳定性     

局限空间中水的相变与动态学研究

在本篇论文中,主要讨论水分子在局限空间中的运动及相变行为,所使用的方法为双量子过滤核磁共振光谱及T₁反转回覆光谱,体系为利用MCM-41吸附不同量的重水. 本研究中所使用的这两种光谱方法各有其独特之处,其中双量子过滤核磁共振光谱是利用被吸附的重水分子中氘核残余四极作用力所产生双量子讯号进行侦测,因此是特别针对表面吸附的水分子进行观测, 而T₁反转回覆光谱则是侦测整体孔洞內水分子的行为,借由两种光谱的谱线分析相互比对,得到在MCM-41內各层水分子对温度变化的完整动态学行为. 在描述表面水分子运动上,采用的是修改过的锥体模型,主要将水分子分成相对其对称轴的摇摆运动及旋转运动,在研究中发现,表面水分子是被MCM-41表面单独的SiOH所吸附,比例上为一个水分子对一个SiOH,而表面分子的运动会受到第二层水分子的形成与否所影响,一但第二层水分子 的量够多时,其平移扩散运动会借由碰撞影响表面水分子的摇摆运动,而且在孔洞中属于非表面吸附的水分子,在随温度变化至240~250 K之间时会有相变发生,相变的温度则会随水量充填在MCM-41內的多寡而改变,当水分子越多时,因为彼此间空间有限,使得氢键网路结构与一般正常在大量水分子体系的结构有些相异,因此使得相变温度会随之下降. 除此之外,本研究中亦提出不同的双量子过滤核磁共振脉冲序列以及不同的模型来讨论.     

极性晶体中与形变势相互作用的表面极化子

有不少的极性晶体,电子与表面光学(SO)声子耦合强,但与表面声学(SA)声子耦合弱.研究电子与SO声子耦合强,与SA声子耦合弱的极性晶体中与形变势相互作用的表面极化子的性质.采用改进了的线性组合算符和微扰法导出了极性晶体中与形变势相互作用的表面极化子的有效哈密顿量.在计及电子在反冲效应中发射和吸收不同波矢的声子之间的相互作用时,讨论对表面极化子的有效哈密顿量、有效质量和有效相互作用势的影响.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

金属纳米锥表面吸附分子分布的数值模拟

在均匀外电场中,将吸附在由过渡金属基底生长的纳米锥颗粒表面的CO分子等效为偶极子,在考虑偶极子与局域电场,偶极子之间色散力及偶极子与锥表面原子之间三种相互作用的情况下,给出各相互作用能的数学模型,并用Monte Carlo方法进行数值模拟,得到纳米锥颗粒表面吸附CO分子的空间分布构型.结果表明,在这些相互作用下,纳米锥表面吸附CO分子产生局部凝聚,且随着纳米锥角的变小,吸附在锥顶部的分子更加密集,导致吸附分子间相互作用更强,为解释纳米结构表面吸附体系的异常红外效应提供依据.     

原子间作用力对超临界CO_2-水界面张力影响的研究

咸水含水层是二氧化碳(CO_2)封存的主要地址储体,具有巨大的埋存潜力。当CO_2封存于咸水含水层时,CO_2的注入能耗及注入率在很大程度上取决于CO_2与地下含盐水之间的界面特性。本文应用分子动力学仿真的方法,分析了超临界CO_2和纯水界面系统中的分子间(内)作用力、分子的结构和virial等对界面张力(IFT)的影响。结果表明,分子间范德华力减小IFT,静电力、分子内的键拉伸和角力均增加IFT;水和水分子间的相互作用占主导地位,CO_2和CO_2以及水和CO_2间的作用影响较小;水和CO_2分子在界面处均成规则的有序排布,且CO_2分子平行于界面分布。     

硫酸钠溶液中方解石表面油膜脱附机理研究

摘要：本文重点研究油湿型方解石表面形成的过程和方解石表面油膜在SO42-作用下脱附的过程,从分子尺度探究油膜形成机理和SO42-作用机理。首先,为模拟碳酸盐岩储层实际而建立油湿型碳酸盐岩表面。范德华力和静电作用下油分子运动到方解石表面形成双层结构的油膜,方解石由水湿变为油湿。结果表明,与第二层相比,第一层排列更有序,结构更稳定,对储层润湿性影响更大。而后,研究方解石表面油膜在SO42-作用下脱附的过程和作用机理。方解石表面油膜的脱附可以分为两步：静电作用下水通道的形成;氢键作用下水膜的形成。最终,方解石表面由油湿变为水湿。研究表明：SO42-参与了方解石表面油膜脱附过程中重要的静电力作用和氢键作用,加速了水通道和水膜的形成,加速了方解石表面油膜的脱附,对储层润湿性影响较大。     

Unusual Spectral Shifts of Imipramine and Carbamazepine Drugs

The absorption and fluorescence spectra of imipramine and carbamazepine have been recorded in solvents of different polarity and β-cyclodextrin (β-CD). The inclusion complexes for both drugs are investigated by UV-visible, fluorimetry and DFT. Solvents study shows isotropic polarizability structure is present in imipramine while the amide group inhibits the above structure in carbamazepine. The band width half a maximum of carbamazepine decreased in polar solvents suggest that different species present in non-polar solvents and among that one of this species is affected in protic solvents. Both drugs form two different 1:2 inclusion complexes with β-CD. The structured longer wavelength emission in β-CD solution suggests viscosity plays major roles in the inclusion complex. This study also confirms van der Waals forces and hydrophobic interactions are the driving forces in imipramine and hydrogen bonding interactions play major roles in carbamazepine.     

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注.本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底.另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律.本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.     

Effect of long-range forces on surface freezing

We examine the effect of long-range van der Waals interactions on surface freezing (SF) in linear hydrocarbon chain molecules, and the wetting criteria of the bulk liquid by the crystalline surface phase. We find that although the effect of van der Waals interactions is small for SF of normal alkanes, it is important for SF of dry and hydrated alcohols. We also find that the long-range interactions should not be ignored in the interpretation of wetting phenomena in recent experimental results. The results are in good agreement with recent experiments.     

Nanoscale Tail Aggregation in Ionic Liquids: Roles of Electrostatic and van der Waals Interactions

Nanoscale spatial heterogeneity in ionic liquids is formed by the aggregation of cationic tail groups. The electrostatic interactions between polar groups and the collective van der Waals interactions between nonpolar tail groups both contribute to the formation of tail domains, but the degrees of their contributions
were unknown. In this work, by applying a strong external electric field to effectively overpower the electrostatic interactions between polar groups, we have determined that the tail aggregation is majorly attributed to the electrostatic interactions and the van der Waals interactions only have minor influence on the spatial heterogeneity phenomenon of ionic liquids.     

Methane molecule over the defected and rippled graphene sheet

Adsorption of a methane molecule (CH₄) onto a defected and rippled graphene sheet is studied using ab initio and molecular mechanics calculations. The optimal adsorption position and orientation of this molecule on the graphene surface (motivated by the recent realization of graphene sensors to detect individual gas molecules) is determined and the adsorption energies are calculated. In light of the density of states, we used the SIESTA code. It is found that (i) classical force field yields adsorption energy comparable with experimental result and ab initio calculation; (ii) the periodic nature of the van der Waals potential energy stored between methane and perfect sheet is altered due to the insertion vacancies and sinusoidal ripples; (iii) the van der Waals potential energy is found to be sensitive to the presence of the vacancies and the ripples so that the added molecule avoids to be around vacant cites and on top of the peaks.     

The role of van der Waals interaction in the tilted binding of amine molecules to the Au(111) surface

We present the results of ab initio electronic structure calculations for the adsorption characteristics of three amine molecules on Au(111), which show that the inclusion of van der Waals interactions between the isolated molecule and the surface leads in general to good agreement with experimental data on the binding energies. Each molecule, however, adsorbs with a small tilt angle (between -5 and 9°). For the specific case of 1,4-diaminobenzene (BDA) our calculations reproduce the larger tilt angle (close to 24°) measured by photoemission experiments, when intermolecular (van der Waals) interactions (for about 8% coverage) are included. These results point not only to the important contribution of van der Waals interactions to molecule-surface binding energy, but also that of intermolecular interactions, often considered secondary to that between the molecule and the surface, in determining the adsorption geometry and pattern formation.