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。     

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.     

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.     

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。     

基于相场方法的孔隙尺度油水两相流体流动模拟

基于真实岩心颗粒粒径分布,利用过程法构建疏松砂岩油藏的三维孔隙结构模型,利用相场方法建立两相流体流动数学模型并利用有限元方法进行求解,研究驱替速度、流体性质、润湿性对剩余油分布以及采出程度的影响.结果表明：驱替速度的增大和油水粘度比的减小会导致较大的毛管数,进而有利于采出程度的提高;就润湿性而言,水湿条件下毛管力是水驱油的动力,而在油湿条件下是阻力,因此水湿岩心采出程度更高.同时,从孔隙尺度对油水渗流机理及剩余油分布机理进行揭示,结果表明：由于多孔介质的复杂孔隙结构,流体在流经不同孔隙时呈现不同的流动特征,进而对油水两相流整体的压力分布、流速分布造成重要影响.     

硫酸铵水溶液的超额拉曼光谱研究

利用拉曼光谱与超额拉曼光谱研究室温下不同质量分数的(NH_4)_2SO_4水溶液中氢键网络结构的变化,以及离子缔合情况;研究2800~4000cm~(-1)处的O—H伸缩振动区间以及940~1020cm~(-1)处的SO_4~(2-)全对称伸缩振动区间的拉曼光谱,对拉曼数据进行分峰处理,并对超额拉曼光谱的正、负峰积分面积进行分析。结果表明:质量分数12.00%是溶液中氢键结构以及离子缔合情况发生较大变化的转折点;当质量分数大于12.00%后,溶液中DDA型和DAA型氢键结构增多,DDAA型、DA型氢键结构与自由OH型氢键结构减少,并且溶液中离子对的存在情况也发生了变化,NH_4~+与SO_4~(2-)形成了接触离子对。     

脂肪醇聚氧乙烯醚在空气-水界面上铺展单分子膜的脱附性质

采用Wilhelmy法测定脂肪醇聚氧乙烯醚在空气-水界面上铺展单分子膜的动态表面压,并由此计算动态脱附动力学参数.实验结果表明,样品铺展膜的脱附初期扩散系数约10-3～10- 4cm2/sec,远远大于溶液表面吸附的扩散系数,铺展膜的初始表面浓度越大,其初期脱附扩散系数也越大.但是从脱附整个过程看,铺展膜的初始表面浓度越大,其平均脱附速率常数越小,脱附过程是属于扩散控制和表面能垒控制共同作用的混合模式.     

异丙醇在锐钛矿TiO2(101)表面的光化学

通过程序升温脱附谱的方法探究了266 nm激光照射下异丙醇在锐钛矿TiO₂（101）表面的光化学,并提出了详细的解离机理.在光照作用下,异丙醇发生分步解离：首先,O-H键断裂生成异丙氧基;然后,仲碳的C-H键在光照的作用下进一步发生解离,从而生成丙酮,两步生成的氢原子均转移到相邻的桥氧上.在升温过程中,这部分氢原子会与分子态的异丙醇发生置换反应,从而以低温水和高温异丙基的形式从表面脱附出来.     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

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.     

配体调控石墨烯量子点催化活性的RRS法测定硫酸根

在70℃水浴条件下,柠檬酸三钠(TCA)还原HAuCl_4反应进行缓慢,加入石墨烯量子点(GQDs)作催化剂,反应加快。增大GQDs的加入量,反应随之显著增强,体系中生成的金纳米粒子增多,产生较高的共振瑞利散射(RRS)强度。在加入BaCl_2配体后,GQDs表面被BaCl_2包裹,抑制了GQDs的催化作用;当溶液中硫酸根离子(SO_4~(2-))存在时,生成BaSO_4沉淀,GQDs从BaCl_2表面脱离,此时GQDs恢复其催化作用,并随着SO_4~(2-)浓度的增加,GQDs的脱附量增多,体系的反应速度加快,催化反应随之增强,RRS信号线性增强。信号增强值与SO_4~(2-)在0.067～1.67μmol·L~(-1)范围内呈良好线性关系,检测限为0.041μmol·L~(-1),线性方程为ΔI_(570nm)=93.3c+0.4。     

水分子在水化蒙脱石表面脱附行为的第一性原理研究

使用密度泛函理论计算研究了水分子在蒙脱石(MMT)表面的脱附作用.水分子在MMT表面的脱附受到配衡离子(Li~+,Na~+,或K~+),MMT表面和吸附水分子的共同作用.通过势能面扫描得到了脱附水分子在MMT表面脱附的能量路径.通过对脱附水分子能量路径的分析发现:水分子在MMT表面的脱附能垒受到配衡离子种类的影响,半径较小的配衡离子具有较大的脱附能垒.此外,吸附水的存在能降低脱附水分子的脱附能垒,使脱附过程容易触发.     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

油滴撞击油膜层内气泡的变形与破裂过程的数值模拟

旋转工作的机械零部件和机械设备的润滑系统工作过程中普遍存在着油滴和油膜的碰撞行为,这一行为易引起气泡夹带现象.气泡将对油滴撞击油膜时的运动过程和附壁油膜层的形成质量造成不可忽视的影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对油滴撞击含气泡油膜的行为进行数值模拟研究,考察油膜层内气泡的变形运动过程,分析气泡大小和位置等因素对撞击过程中气泡变形特征参数的影响规律,并探讨气泡破裂的动力学机制.研究表明,随着气泡直径的增大,油滴撞击含气泡油膜后气泡会依次出现自由表面破裂、稳定变形以及油膜内部破裂等现象;直径d=20μm的气泡能较稳定地存在于油膜层内,同时该值也是气泡发生自由表面破裂和油膜内部破裂的临界值.此外,气泡所在位置同样对气泡变形历程有一定影响,气泡越接近油膜表面,其变形量越大;位于油膜底层的气泡会附着在壁面上.在自由表面破裂和油膜内部破裂过程中,气泡破裂是由气-液界面不稳定引起的,表面张力对这两种现象起重要作用;而黏性剪切力对油膜内部破裂现象也有着不可忽视的影响.     

2-羟基-1-萘甲醛半碳酰腙激发态分子内质子转移阴离子荧光识别

利用荧光光谱分析法,考察了2-羟基-1-萘甲醛半碳酰腙(L)作为受体分子与F~-、Cl~-、Br~-、I~-、SO_3~(2-)、NO_3~-、ClO_4~-、H_2PO_4~-、SO_4~(2-)、CH_3COO~-、CO_3~(2-)等阴离子的作用。研究结果表明,在乙腈溶液中该受体分子其酚羟基OH与—C=N—基N之间的分子内氢键强度较弱,引入CH_3COO-和CO_3~(2-)增强了分子内氢键强度,在波长495nm处出现激发态分子内质子转移(ESIPT)荧光,荧光滴定实验表明该受体分子与CH_3COO~-和CO_3~(2-)均形成1:1型结合物,提出了可能的配合物结合模式。     

受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡研究

利用密度泛函理论并结合改进的基本度量理论研究了受限于对称性破缺狭缝间氢键流体的相平衡. 首先根据氢键流体的吸附-脱附等温线及相应巨势获得不同条件下氢键流体的相图. 进一步讨论了氢键作用、狭缝间距、狭缝与流体分子间相互作用及对称性破缺程度等因素对氢键流体相平衡的影响. 结果表明, 由于狭缝与流体分子及流体分子间的相互作用存在竞争, 使得受限于对称性破缺条件下的氢键流体呈现更为复杂的相态特征.     

利用交流阻抗谱揭示Ir(111)电极在酸性溶液中的氢吸附动力学（英文）

本文利用阻抗谱研究Ir(111)电极在HClO_4和H_2SO_4中溶液中的氢吸附行为.在HClO_4溶液中,随着施加电位从0.2 V降到0.1 V(vs RHE),Ir(111)电极上氢吸附速率从1.74×10~(-8) mol·cm~(-2)·s~(-1)增大到3.47×10~(-7) mol·cm~(-2)·s~(-1).与相同条件下Pt(111)电极上的氢吸附速率相比,Ir(111)上的氢吸附速率要小1～2个数量级,这是由于Ir(111)电极与H_2O结合能力更强,因此位于水合氢键网络中的氢离子需要克服更高的能垒才能重新定向进而发生欠电位沉积.在H_2SO_4溶液中,氢吸附电位负移了200 mV,吸附速率也下降了一个数量级,这是由于Ir(111)电极表面强吸附的硫酸根/硫酸氢根物种的阻碍作用.结果表明,在电化学环境下,位于电极表面附近的水分子的取代和重新定向在很大程度上影响了氢吸附过程.     

不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟

随着电子元件高性能化和小型化的发展,纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注.本文采用分子动力学模拟方法,模拟了300,325,350 K的纳米通道中流体的流动传热情况,工质为水,水中不凝性气体用氩气代替.结果表明:流动过程中,氩原子形成高势能团簇,随着温度升高,流体势能上升,团簇逐渐减小或消失;少量气体原子能够促进流动,而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动,同时,被加热的工质能显著减小流动阻力系数;近壁面区域流体温度高于中心区域,团簇内部原子活动更加剧烈,平均分子动能更大,温度更高;水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热,氩原子会影响氢键数量,高温会破坏水分子形成的氢键网络,使努塞尔数下降.本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理,为电子设备的强化传热提供了理论指导.     

基于第一性原理的CVD金刚石涂层表面氧原子作用分析

采用第一性原理方法研究了氧原子在CVD金刚石涂层表面吸附形成的两种氧掺杂结构的差异及脱附CO的难易程度.仿真计算结果表明：氧原子在金刚石表面顶位和桥位吸附形成C=O羰结构和C-O-C醚结构,改变与其直接成键的局部金刚石结构;C-O-C结构吸附能比C=O结构大,其结构更加稳定;C=O结构断键脱附形成CO的能垒比C-O-C结构更低,CVD金刚石涂层表面脱附CO主要是以C=O断键形成;氢终止表面能够增强碳原子之间成键,提高C=O脱附的能垒,而氧终止表面作用相反,降低脱附能垒.     

基于水平集方法的低渗砂岩数字岩心气水两相渗流模拟

低渗致密砂岩气藏孔喉结构复杂,气水流动及分布规律表征难,常规岩心实验精细刻画困难。基于真实低渗砂岩岩心,利用Micro-CT扫描技术构建储层三维数字岩心,提取连通孔隙结构并建立非结构化四面体网格模型。结合水平集法与N-S方程,建立气水两相流数学模型并利用有限元方法进行求解,研究低渗砂岩气水两相流动中的水驱气过程、残余气分布特征、岩石润湿性对两相流的影响以及并联通道中的窜流特征。结果表明：利用水平集方法能清晰地观察到气水两相分布特征与驱替前缘的运移规律;岩石润湿性对两相流过程影响较大,水湿条件下采出程度更高;并联通道中的窜流现象明显,大通道中水相优先突破并形成优势流动通道,狭小通道中的流动受毛管现象影响,存在较大的附加阻力。