第一性原理研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面吸附

基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟研究H_2O在CaCO_3(104)表面的吸附特征.首先,研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面的顶位、桥位(短桥位、长桥位)和穴位上垂直和平行表面两种类型下的8种高对称吸附结构模型,结合吸附能和稳定吸附构象确定最优吸附位.而后,基于H_2O/CaCO_3(104)最优吸附结构模型,研究吸附前后H_2O和CaCO_3(104)表面的物理结构、电子结构(Mulliken电荷布居数、态密度、电子局域函数)的特征,分析H_2O/CaCO_3(104)表面之间的相互作用以及成键机理.研究结果:吸附能和体系稳定构象显示H_2O分子/CaCO_3(104)表面的最稳定吸附结构为穴位-平行.在穴位-平行位吸附后,H_2O分子的O-H键长和H-O-H键角均发生改变; CaCO_3晶体平行和垂直(104)表面方向上原子位置均发生改变,表面层变化最大;即吸附作用对H_2O分子和CaCO_3晶体的物理结构均产生较大影响; H_2O/CaCO3(104)最优吸附体系的Mulliken电荷布居数、电子态密度、电子局域函数的研究均说明H_2O分子与CaCO3(104)之间存在电子的转移形成化学键.其中,Ca-O(H_2O)形成离子键,H(H_2O)-O(CaCO_3)之间存在氢键作用.本文研究揭示了方解石表面水湿性的原因,同时为方解石润湿性的深入研究奠定基础.     

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.     

分子动力学模拟研究方解石表面润湿性反转机理

利用分子动力学模拟技术从分子尺度探究方解石表面润湿性反转机理.首先,研究方解石表面润湿性反转过程;而后,从原油分子-方解石表面与原油分子-原油分子/水分子相互作用两个方面系统揭示方解石表面润湿性反转机理.结果:(1)水分子能够驱离方解石表面弱吸附的非极性分子造成润湿性的改变,但不能驱离强吸附的极性分子使润湿性反转难以实现;(2)原油分子极性越强与方解石表面相互作用越强,极性分子与方解石表面之间主要为静电力,非极性分子与方解石表面之间主要为范德华力;(3)原油分子极性越相近分子之间的相互作用越强,分子极性相差越大分子之间的相互作用越弱.非极性分子之间主要是范德华力,极性分子之间主要是静电力;(4)原油分子在方解石表面和水分子的共同作用下形成乙酸-吡啶-水-甲苯-己烷的稳定吸附序列.本研究为靶向提高采收率技术的设计与应用提供理论基础.