Cómo la Carga Superficial Altera los Ángulos de Contacto del Aceite en Sistemas Agua-Decano-Dióxido de Silicio

Antecedentes

La recuperación mejorada de petróleo (EOR) se vuelve cada vez más importante con las crecientes dificultades en la extracción de crudo de yacimientos petrolíferos [1, 2]. Entre diversas técnicas de EOR, la inyección de agua es un enfoque dominante debido a su bajo costo y alta eficiencia. La inyección de agua es un proceso multiescala, que incluye procesos de dedos viscosos en yacimientos porosos o procesos de flujo bifásico donde el crudo es desplazado por agua inyectada en canales microfluídicos. Como resultado, la inyección de agua está controlada por diversos factores desde la escala de poro hasta la de yacimiento. Debido a las grandes relaciones superficie-volumen de los yacimientos petrolíferos y los bajos números capilares del proceso de desplazamiento de aceite, la mojabilidad del aceite y el agua en las superficies rocosas porosas tiene un gran impacto en los flujos bifásicos aceite-agua en los yacimientos. Por tanto, la mojabilidad de las superficies rocosas es crucial para la eficiencia de recuperación de petróleo [3,4,5].

Generalmente, la superficie rocosa mojada por agua es beneficiosa para el desplazamiento de aceite; sin embargo, la superficie rocosa aparece inicialmente como mojada por aceite debido a la adsorción de moléculas polares del crudo y otros. Así, la alteración de la mojabilidad de las superficies rocosas de mojadas por aceite a mojadas por agua es muy importante para las técnicas de EOR. En la inyección de agua, usualmente se añaden artificialmente algunos agentes químicos (p. ej., surfactantes, polímeros, iones, nanopartículas) al agua inyectada para lograr la alteración de mojabilidad [6,7,8,9,10,11]. Por ejemplo, los surfactantes disueltos en el agua inyectada pueden alterar la mojabilidad de las rocas del yacimiento a un estado más mojado por agua; se acepta generalmente que la formación de pares iónicos y la adsorción de moléculas surfactantes a través de interacciones con los componentes de crudo adsorbidos en las superficies rocosas son los dos mecanismos principales responsables de la alteración de mojabilidad inducida por surfactantes [12]. Para la inyección de agua de baja salinidad, la expansión de la doble capa al reducir la salinidad y el intercambio iónico multicomponente son dos mecanismos competitivos específicos para la alteración de mojabilidad de yacimientos de arenisca [13, 14]. Mientras que para la inyección de agua basada en nanopartículas, la autoestratificación y la estructuración de baja dimensionalidad de las nanopartículas en la región de la línea de contacto trifásica ejercen una presión de desprendimiento estructural sobre la fase de aceite y finalmente promueven la alteración de superficies rocosas mojadas por aceite a un estado mojado por agua [15,16,17,18].

Independientemente de la variedad de técnicas de inyección de agua, el mecanismo esencial de alteración de mojabilidad es el cambio de las interacciones trifásicas entre agua-aceite-roca inducido por los agentes químicos inyectados. Para las interacciones agua-aceite-roca, las interacciones electrostáticas juegan un papel profundo en la alteración de mojabilidad, porque los agentes químicos pueden adsorberse en las superficies rocosas y posteriormente cambiar las cargas superficiales. Por ejemplo, los cationes divalentes pueden promover la unión de componentes ácidos del aceite a superficies rocosas cargadas negativamente y modificar el potencial eléctrico de las superficies rocosas de negativo a positivo [19,20,21,22]. Mientras tanto, la química del agua en sí podría afectar las cargas en las superficies rocosas [23]. Así, la carga superficial es definitivamente uno de los factores más importantes que afectan la mojabilidad de las superficies rocosas. Puah et al. [24] mostraron que la carga superficial afectaba tanto la mojabilidad estática como la cinética de mojado de superficies sólidas. Confirmaron además que el ángulo de contacto estático disminuía por encima y por debajo del punto de carga superficial cero de manera similar a Lippman, mientras que los datos de ángulo de contacto dinámico pueden describirse bien por la teoría cinética molecular.

Debido a que la mojabilidad trifásica está directamente relacionada con las interacciones moleculares entre agua-aceite-roca, un estudio de visión molecular es muy necesario para revelar los efectos de la carga superficial en la mojabilidad de las superficies rocosas [25, 26]. En este artículo, construimos una superficie de dióxido de silicio para modelar las superficies rocosas de silicatos y estudiamos su mojabilidad trifásica considerando las cargas superficiales mediante el método de simulación de dinámica molecular (MD). Se espera revelar los efectos de la carga superficial y sus mecanismos subyacentes desde los aspectos de distribuciones de densidad numérica molecular, estructura molecular en superficies rocosas, etc.

Métodos

Sistema de Simulación

Estudiamos la mojabilidad trifásica en un sistema modelo, donde el aceite se modela como decano, mientras que la roca se modela como dióxido de silicio. En particular, la superficie de dióxido de silicio puede representar bien los yacimientos de arenisca [11, 27, 28]. Para calcular el ángulo de contacto del aceite, el aceite se encierra en agua como una gota cilíndrica (ver Fig. 1). Para la gota cilíndrica de aceite, los efectos de la tensión de línea en el cálculo del ángulo de contacto pueden eliminarse. Para construir el sustrato de dióxido de silicio, un conjunto de celdas unitarias trigonales de α-cuarzo se ensambla en las direcciones [100], [010] y [001], respectivamente. Luego, el cristal de α-cuarzo se transforma de un romboedro a un cubo con un tamaño de 15 × 15 × 1 nm³. Debe prestarse mucha atención para obtener una estructura de superficie realista; igual que el procedimiento de Puibasset et al. [29], el cristal se corta primero a lo largo de la cara cristalográfica (111) y los átomos de silicio en los tetraedros incompletos se eliminan. Luego, los átomos de oxígeno no puente, que están unidos a solo un átomo de silicio, se saturan con átomos de hidrógeno. Es decir, los lados superior e inferior del sustrato de dióxido de silicio están saturados con átomos de hidrógeno. Por lo tanto, simplemente alteramos la carga superficial añadiendo cargas parciales en los átomos de hidrógeno superiores en la superficie de dióxido de silicio, mientras que todo el sistema se mantiene neutralizado añadiendo cargas parciales equivalentes con valores inversos en los átomos de hidrógeno inferiores. Las estructuras de moléculas de decano y agua también se muestran en la Fig. 1.

Ilustración esquemática del sistema de simulación. Vista lateral del sistema de simulación con un cubo de aceite rodeado por agua sobre el sustrato de dióxido de silicio (izquierda) y vistas atómicas de moléculas de decano y agua (derecha)

Como se muestra en la Fig. 1, el agua y el aceite se disponen inicialmente sobre el sustrato de dióxido de silicio y el cubo de aceite está rodeado por tres cubos de agua de diferentes tamaños. El cubo de aceite tiene una dimensión de 5 × 15 × 5 nm³ y se ubica en la parte central del sustrato. Las dimensiones de los cubos de agua laterales izquierdo y derecho son las mismas que la del cubo de aceite, mientras que la del cubo de agua superior es 15 × 15 × 5 nm³. El número de moléculas de agua y decano se determina por los tamaños de los cubos y las densidades de agua y aceite bajo la condición de 300 K y 1 bar. Las densidades de agua y aceite son 1,000 y 0,725 g/cm³, respectivamente; en consecuencia, el número de moléculas de agua y decano es 58.319 y 1150, respectivamente. La disposición de moléculas se implementa en el software Material Studio; originalmente, se distribuyen aleatoriamente en cajas especiales. Luego, se realiza un cálculo de minimización de energía para optimizar la geometría molecular. A medida que la simulación alcanza un estado de equilibrio, el cubo de aceite evoluciona a una gota cilíndrica, mientras que los tres cubos de agua pueden fusionarse formando una fase continua que rodea la gota de aceite.

Modelo MD

Nuestras simulaciones MD se realizan usando la plataforma LAMMPS (simulador masivamente paralelo atómico/molecular a gran escala). Las simulaciones se conducen en un ensamble NVT con una temperatura de 300 K. Las simulaciones se ejecutan totalmente durante 5 millones de pasos de tiempo con un paso de tiempo de 1 fs. Las coordenadas atómicas se registran cada 10.000 pasos de tiempo para observar la evolución de gotas de aceite y finalmente calcular los ángulos de contacto. El sistema puede alcanzar un estado de equilibrio en alrededor de dos millones de pasos de tiempo, como se muestra en la Fig. 2. Así, las coordenadas atómicas durante el último millón de pasos de tiempo se adoptan para promediar las distribuciones de densidad numérica molecular. Se aplican condiciones de frontera periódicas en las direcciones x e y, mientras que la condición de frontera reflectiva se aplica en la dirección z. Durante las simulaciones, los átomos de SiO₂ masivo están fijos, pero los átomos de O e H superficiales son flexibles bajo el control del termostato Nose-Hoover.

Procedimientos de cálculo para los ángulos de contacto de gotas cilíndricas de aceite

Las interacciones atómicas entre agua-decano-dióxido de silicio se modelan todas mediante potencial de Lennard-Jones 12-6 acoplado con un término polar para considerar tanto las fuerzas de Van der Waals como Coulombianas [30,31,32], como sigue:

donde ε es el parámetro de energía, σ es el parámetro de longitud, q_i y q_j son las cargas en los átomos i y j, C es la constante electrostática, y χ es la constante dieléctrica. R_cut es la distancia de corte para las fuerzas de Van der Waals y electrostáticas de corto alcance. La distancia de corte se establece en 10 Å. En las simulaciones, las fuerzas electrostáticas de largo alcance se consideran usando el método partícula-partícula partícula-malla. Para obtener los parámetros de potencial en la Ec. (1), se adopta el modelo TIP3P para moléculas de H₂O [33]; para moléculas de decano, se adopta el campo de fuerzas OPLS-AA [34]; para el sustrato de dióxido de silicio, se adopta el campo de fuerzas CVFF [35]. Los parámetros de potencial no enlazados usados en el sistema de simulación se listan en la Tabla 1. La regla de Lorentz-Berthelot se usa para obtener los parámetros de potencial entre átomos cruzados. Las interacciones de enlace e interacciones diedras entre cuartetos de átomos en una sola molécula también se consideran adecuadamente. Para las interacciones de enlace, se aplica el modelo armónico, mientras que para las interacciones diedras, se aplica el modelo de potencial OPLS [36].

Cálculo del Ángulo de Contacto

La mojabilidad de la superficie de dióxido de silicio se caracteriza por el ángulo de contacto del aceite, que se obtiene basado en las distribuciones de densidad de moléculas de aceite en las nanogotas. En la etapa inicial de las simulaciones, la gota de aceite evoluciona de un cubo a un semicilindro y alcanza un estado de equilibrio; este proceso de equilibración usualmente toma dos millones de pasos de tiempo, lo que puede confirmarse a partir de la variación temporal del centro de masa de las gotas de aceite. En el estado de equilibrio, la coordenada del centro de masa se mantiene constante en la dirección z. Debido a que la distribución de densidad de moléculas de aceite necesita promediarse para las configuraciones de equilibrio aceite-agua, para estar doblemente seguros, solo recopilamos las coordenadas atómicas en el último millón de pasos de tiempo para obtener las distribuciones de densidad. Para promediar las densidades numéricas moleculares, la zona de aceite/agua se divide en muchas celdas cúbicas regulares con un tamaño de 2 × 2 × 2 ų. Al promediar temporalmente el número de átomos que aparecen en cada celda, se pueden obtener el contorno 3D y el contorno 2D en el plano x-z de las distribuciones de densidad de nanogotas de aceite. Se observa que el contorno 2D en el plano x-z se obtiene promediando adicionalmente el contorno 3D en la dirección y. Con el contorno 2D, la interfaz aceite-agua se identifica basada en la siguiente regla; en la interfaz, la densidad numérica de átomos de aceite en las celdas de interfaz es la mitad de la densidad en las celdas de fase masiva de gotas de aceite (ρ_b). Considerando el espesor de la interfaz, las ubicaciones de tales celdas se definen como interfaz si las densidades en las celdas están en el rango de 0,2ρ_b a 0,8ρ_b. Usando el método anterior, se pueden identificar los puntos discretos en la interfaz. Finalmente, obtenemos el perfil de interfaz ajustando estos puntos discretos como un círculo y calculamos el ángulo de contacto de las gotas de aceite. En el ajuste, la posición central (x₀, z₀) y el radio r del círculo se obtienen necesariamente. El ángulo de contacto θ puede calcularse como θ = arccos(d/r), donde d es la distancia entre el centro del círculo y la línea base de la superficie rocosa en la dirección z (d = z_b − z₀, z_b es la posición z de la línea base, z_b = 12,16 Å). Si la distancia es un valor negativo, el centro del círculo está en la parte superior de la superficie rocosa y el ángulo de contacto definitivamente supera 90°. Los procedimientos de cálculo completos del ángulo de contacto se representan explícitamente en la Fig. 2. Para obtener el ángulo de contacto de esta manera, basta analizar la gota cilíndrica de aceite en el sistema de coordenadas cartesianas.

Debido a la falta de datos efectivos sobre los ángulos de contacto de gotas de aceite rodeadas de agua en sustratos de dióxido de silicio, validamos nuestro modelo de simulación comparando los ángulos de contacto de gotas esféricas de agua en sustratos de dióxido de silicio. Realizamos una simulación individual para obtener el ángulo de contacto de una nanogota de agua con 4179 moléculas. Se observa que en la simulación de validación, los grupos hidroxilo en la superficie de sustratos de dióxido de silicio se fijan como en otros trabajos representativos. El ángulo de contacto medido es 7,8°, que está en buen acuerdo con el del trabajo de Pafong et al. [37]. Reportaron un ángulo de contacto de agua de 7,0°, lo que presenta una desviación relativa de solo 10,3 %. Este buen acuerdo indica que nuestro modelo y método de simulación son confiables.

Resultados y Discusión

Ángulo de Contacto

Al calcular los ángulos de contacto de gotas cilíndricas de aceite, se pueden obtener las variaciones del ángulo de contacto con la densidad de carga superficial, como se muestra en la Fig. 3. Se puede ver claramente en esta figura que el ángulo de contacto tiene una gran dependencia de la densidad de carga superficial; desde la superficie cargada negativamente a la positivamente cargada, el ángulo de contacto de gotas de aceite aumenta significativamente. Esto significa que la superficie rocosa altera de estado mojado por aceite a mojado por agua a medida que la carga superficial aumenta de valores negativos a positivos. Los contornos de densidad promedio en el plano x-z a varias densidades de carga superficial también se insertan en esta figura para tener una comprensión intuitiva de la variación de la mojabilidad superficial.

Variación de los ángulos de contacto con la densidad de carga superficial. Las imágenes de contorno de gotas de aceite a diferentes densidades de carga superficial también se insertan

También podemos encontrar en la Fig. 3 que la superficie rocosa presenta un estado mojado por agua muy evidente cuando la densidad de carga superficial aumenta hasta 0,992 e/nm². Por debajo de este valor crítico, la variación del ángulo de contacto con la densidad de carga no es obvia; más allá de este valor crítico, el ángulo de contacto alcanza hasta 78,8° y el estado mojado por agua es muy evidente. Se cree que la variación del ángulo de contacto con la carga superficial es causada por el cambio de las intensiones de agua-dióxido de silicio y aceite-dióxido de silicio, porque la carga superficial afecta las interacciones entre agua-dióxido de silicio y las interacciones entre aceite-dióxido de silicio. Debe notarse particularmente que los resultados de simulación basados en este sistema ideal no pueden compararse directamente con estudios experimentales para revelar la mojabilidad dependiente de la salinidad en sistemas aceite-agua-roca. En los estudios experimentales, los cationes en la fase acuosa pueden tener el efecto de modificar el potencial eléctrico de las superficies rocosas de negativo a positivo, pero definitivamente no es su único efecto. Los otros efectos potenciales de los cationes pueden incluir intercambio multi-iónico y expansión de doble capa, etc. [21, 38,39,40]. Por lo tanto, es totalmente diferente para los casos de cambiar la carga superficial y cambiar la concentración de cationes en agua. En consecuencia, las tendencias de variación de los ángulos de contacto con la densidad de carga superficial y la concentración de cationes pueden diferir. En este estudio de simulación, solo discutimos el efecto de cargas parciales en la superficie de dióxido de silicio sobre la mojabilidad trifásica en un sistema ideal agua-aceite-roca. Estos resultados no pueden revelar directamente los mecanismos de inyección de agua de baja salinidad y guiar sus aplicaciones en recuperación mejorada de petróleo, pero pueden proporcionar entendimientos básicos sobre cómo las cargas superficiales afectan la mojabilidad trifásica. Este estudio sigue siendo significativo porque revela los roles profundos de las cargas superficiales en la mojabilidad trifásica en un sistema agua-decano-dióxido de silicio.

Distribución de Densidad

Para revelar los mecanismos del ángulo de contacto dependiente de la densidad de carga, analizamos las distribuciones de densidad de moléculas de aceite a lo largo de la dirección de altura (dirección z). La Figura 4a da la densidad promedio de moléculas de aceite en cada capa con un ancho de 0,2 nm a lo largo de la dirección de altura. Como se ve en esta figura, en el fondo de la gota cilíndrica (es decir, cerca de la superficie del sustrato), la densidad de aceite es alta y presenta distribuciones fluctuantes; este fenómeno significa que las moléculas de aceite se adsorben en las superficies del sustrato en estructura en capas. En la parte superior de la gota cilíndrica, la densidad promedio cae a un valor cercano a cero, porque la parte superior en forma de arco de la gota hace que el número de moléculas de aceite en las capas paralelas sea cada vez menor a medida que las capas se acercan a la parte superior de la gota. Mientras tanto, podemos encontrar que, a medida que las cargas superficiales pasan de valores negativos a positivos, la densidad numérica en las capas de adsorción disminuye gradualmente; esto indica que la intensidad de adsorción de moléculas de aceite se debilita al aumentar las cargas superficiales. El debilitamiento de la adsorción de moléculas de aceite significa además un área de contacto menor entre la superficie del sustrato y la gota de aceite y, en consecuencia, un ángulo de contacto mayor de la gota de aceite. El aumento de los ángulos de contacto de las gotas de aceite también puede reflejarse en la variación de las alturas de las gotas de aceite con las cargas superficiales. Como se ve en la Fig. 4a, la altura de la gota de aceite aumenta al aumentar las cargas superficiales; esto significa que a cargas superficiales más altas, las gotas de aceite son más esbeltas y los ángulos de contacto son mayores. El debilitamiento de la adsorción de moléculas de aceite a cargas superficiales positivas puede confirmarse a partir de la energía del sistema de los sistemas agua-decano-dióxido de silicio. Como se muestra en la Fig. 4b, la energía del sistema promediada en el tiempo aumenta al aumentar las cargas superficiales. Cuanto mayor es la energía del sistema positiva, más débiles son las atracciones entre moléculas de aceite y dióxido de silicio. La figura insertada muestra las variaciones temporales de la energía del sistema para la superficie de dióxido de silicio neutra.

a Distribuciones de densidad de moléculas de aceite a lo largo de la dirección z; b Energía del sistema promediada en el tiempo a diferentes densidades de carga superficial

La variación del ángulo de contacto con la carga superficial también puede reflejarse en las distribuciones de densidad numérica molecular a lo largo de la dirección x. Como se muestra en la Fig. 5, las distribuciones de densidad numérica a lo largo de la dirección x en el plano x-y con una altura de 1,9 nm en la dirección z presenta una meseta en la parte central. El ancho de la meseta está relacionado con el área de sección transversal de la gota en el plano x-y, mientras que la altura de la meseta está relacionada con la densidad numérica molecular en las gotas. El ancho y la altura de la meseta varían distintamente a diferentes cargas superficiales, lo que corresponde a las diferentes formas de gotas cilíndricas y, por supuesto, a los diferentes ángulos de contacto. Para los ángulos de contacto menores, la meseta es más ancha; para los ángulos de contacto mayores, la meseta es más estrecha. Se observa que la altura de la meseta para la densidad de carga superficial 7,936 e/nm² es especialmente baja, porque cerca de la superficie de dióxido de silicio las distribuciones de densidad tienen una gran fluctuación (ver Fig. 4a) y, en algunos casos, las densidades moleculares a la altura de 1,9 nm están justo ubicadas en los mínimos de las distribuciones de densidad.

Distribuciones de densidad de moléculas de aceite a lo largo de la dirección x en el plano x-y con una altura de 1,9 nm en la dirección z

También obtenemos las distribuciones de densidad de cargas negativas de los átomos dentro de las gotas cilíndricas, como se muestra en la Fig. 6. Básicamente, las cargas negativas presentan una distribución muy no uniforme. En las zonas adyacentes a la superficie de dióxido de silicio, la densidad de cargas negativas es extremadamente alta, mientras que en las zonas alejadas de la superficie de dióxido de silicio, las cargas negativas se distribuyen uniformemente. Mientras tanto, en las zonas de alta densidad adyacentes a la superficie de dióxido de silicio, las cargas negativas se distribuyen capa por capa. La distribución en capas de cargas negativas está directamente relacionada con la estructura en capas de moléculas de aceite cerca de la superficie de dióxido de silicio, porque las cargas negativas se asocian directamente con los átomos de carbono en las moléculas de aceite. Además, podemos encontrar que las distribuciones de densidad de cargas negativas tienen una ligera diversidad a diferentes densidades de carga superficial. A medida que la densidad de carga superficial aumenta, la distribución en capas de cargas negativas se vuelve cada vez más difusa. Esto está relacionado con las áreas de contacto reducidas de las nanogotas con las superficies de dióxido de silicio; a altas densidades de carga superficial, las áreas de contacto se reducen y la estructura en capas de moléculas de aceite se vuelve inaparente debido a las interacciones de solvatación debilitadas.

Distribuciones de densidad de carga negativa dentro de las gotas cilíndricas de aceite en el plano x-z. a − 1,984 e/nm². b − 0,992 e/nm². c − 0,1984 e/nm². d 0,0 e/nm². e 0,1984 e/nm². f 0,992 e/nm². g 1,984 e/nm². h 3,968 e/nm². i 5,952 e/nm². j 7,936 e/nm²

Estructura Molecular

Las estructuras moleculares en el sistema agua-decano-dióxido de silicio también son muy importantes para la comprensión de la mojabilidad trifásica. Intentamos analizar las estructuras moleculares de aceite y agua desde la función de distribución radial (RDF, g(r) [41]) y las orientaciones moleculares. La Figura 7 da las distribuciones RDF de moléculas de aceite y agua y las orientaciones de moléculas de aceite en la superficie de dióxido de silicio neutra. Las distribuciones RDF de pares atómicos O–O y C–C son totalmente diferentes (ver Fig. 7a), es decir, las distribuciones RDF de átomos C–C tienen más ondas que las de átomos O–O y los valores pico de las ondas para átomos C–C son más altos. Acoplando con los significados físicos de las funciones RDF, se puede concluir fácilmente que las moléculas de aceite se adsorben fuertemente en las superficies de dióxido de silicio con varias capas, mientras que las moléculas de agua se adsorben débilmente y solo aparece una capa de adsorción. El fenómeno de adsorción también puede verse en los mapas insertados en la Fig. 7a, donde se muestran instantáneas de equilibrio de moléculas de aceite y agua en la superficie de dióxido de silicio neutra. Las capas de adsorción obvias de moléculas de aceite pueden confirmarse a partir de las distribuciones de densidad numérica en la Fig. 4a. En general, la estructura en capas de moléculas líquidas en una superficie sólida está relacionada con las interacciones líquido-sólido. Para interacciones líquido-sólido fuertes, las moléculas líquidas cerca de la superficie sólida se distribuyen capa por capa a lo largo de la dirección normal a la superficie, mientras que para interacciones líquido-sólido débiles, la estructura en capas de moléculas líquidas no es muy aparente [42]. En este estudio, las interacciones entre agua y dióxido de silicio son relativamente más débiles comparadas con las entre aceite y dióxido de silicio. Así, la estructura en capas de moléculas de aceite cerca de la superficie sólida es más obvia que la de moléculas de agua.

Estructuras moleculares en la superficie de dióxido de silicio neutra. a Distribuciones RDF de moléculas de aceite y agua. b Orientaciones de moléculas de aceite ubicadas a diferentes alturas en la dirección z

Para reflejar aún más las orientaciones de las moléculas de aceite de cadena larga en las superficies de dióxido de silicio, obtenemos los ángulos entre moléculas de aceite y superficies de dióxido de silicio para las moléculas ubicadas a diferentes alturas en la dirección z, como se muestra en la Fig. 7b. El ángulo θ se define como el ángulo de cruce entre la línea base de la superficie de dióxido de silicio y la línea central de una molécula de aceite, donde la línea central se define como la línea media de la línea de conexión entre C1 y C6 y la línea de conexión entre C1 y C10. El número de secuencia de átomos de carbono en una molécula de aceite comienza desde un extremo de la molécula, que está más adyacente a la superficie de dióxido de silicio. La definición del ángulo θ también se inserta en la Fig. 7b. Como se ve en esta figura, los ángulos para la mayoría de las moléculas de aceite son muy pequeños, especialmente para las moléculas de aceite cerca de la superficie de dióxido de silicio. Esto significa que las moléculas de aceite se adsorben en la superficie de dióxido de silicio con una orientación paralela a la superficie. Este fenómeno también puede confirmarse a partir de los mapas insertados en la Fig. 7a.

Conclusiones

Usando simulaciones MD, estudiamos los efectos de la densidad de carga superficial en los ángulos de contacto del aceite en un sistema agua-decano-dióxido de silicio. Los resultados muestran que el ángulo de contacto de nanogotas de aceite aumenta significativamente a medida que la carga superficial aumenta de valores negativos a positivos. Cuando la densidad de carga superficial supera un valor crítico de 0,992 e/nm², el ángulo de contacto alcanza hasta 78,8° y el estado mojado por agua es muy evidente. La variación de los ángulos de contacto puede confirmarse a partir de las distribuciones de densidad de moléculas de aceite a lo largo de las direcciones x e z. La densidad numérica decreciente de moléculas de aceite en las capas de adsorción y el aumento de la altura de la gota de aceite significan ambos un ángulo de contacto mayor de gotas de aceite a mayores densidades de carga superficial. Debido a la estructura en capas de moléculas de aceite cerca de la superficie de dióxido de silicio, las cargas negativas adyacentes a la superficie de dióxido de silicio dentro de las gotas de aceite también se distribuyen capa por capa. A medida que la densidad de carga superficial aumenta, la distribución en capas de cargas negativas (moléculas de aceite) se vuelve cada vez más difusa debido a las interacciones aceite-dióxido de silicio debilitadas. Las distribuciones RDF de moléculas de aceite y agua y las distribuciones de orientación molecular también muestran que las moléculas de aceite se adsorben en las superficies de dióxido de silicio capa por capa con una orientación paralela a las superficies. Estos resultados tienen implicaciones significativas para la comprensión de la alteración de mojabilidad inducida por iones y otros agentes químicos en la fase acuosa, especialmente para la comprensión de los roles profundos de las cargas superficiales en la mojabilidad trifásica en un sistema agua-decano-dióxido de silicio.

Abreviaturas

CVFF:

Campo de fuerzas de valencia consistente

EOR:

Recuperación mejorada de petróleo

LAMMPS:

Simulador masivamente paralelo atómico/molecular a gran escala

MD:

Dinámica molecular

OPLS-AA:

Potenciales optimizados para simulaciones de líquidos campo de fuerzas todo-átomo

RDF:

Función de distribución radial