原油组分对石英表面润湿性的影响与表征方法

采用石油酸、沥青质和原油对石英片表面进行处理,用动态板法和悬滴法分别评价处理前后石英表面的润湿性,获得水湿、中性润湿和油湿3种不同润湿性的石英表面,分析石英表面润湿性改变机制。结果表明:经过铬酸洗液处理后,石英表面亲水性增强;用石油酸甲苯溶液处理后,石英表面变为弱水湿状态;沥青质甲苯溶液使石英表面变为中性润湿性;用20%正庚烷原油混合体系处理得到油湿性的表面,沥青质的吸附和沉积是导致石英表面润湿性反转的主要因素。     

H_2O和CH_4在煤表面竞争吸附机理

为从微观上探讨H_2O和CH_4在煤表面竞争吸附的机理,构建C30H14(9个苯环)代表煤局部表面,通过密度泛函理论分析甲烷分子,水分子和煤局部表面之间的相互作用。结果表明,水分子在煤表面的吸附比甲烷分子在煤表面的吸附更加稳定,二者以最稳定吸附构型吸附时的吸附能分别为-13.23 kJ/mol和-10.13 kJ/mol.当甲烷分子与已吸附水分子的煤表面作用时,甲烷分子吸附能显著下降,吸附平衡距离增大,表明水分子能迫使甲烷吸附到不稳定位置。水分子和甲烷共存时,水分子处于吸附状态,甲烷分子处于脱附状态且总能量最低,进而从分子水平表明水和甲烷竞争吸附时水处于主导地位。     

钙离子对脂肪酸类捕收剂浮选石英的影响机理

为了探究脂肪酸类捕收剂在浮选石英过程中,钙离子活化石英的作用及机理,进行了浮选试验、动电位检测、红外光谱分析.结果显示石英被浮选需要钙离子的活化,钙离子能增加石英的表面动电位,以及改性脂肪酸捕收剂DWD-3能在被钙离子活化的石英表面发生吸附,且存在化学吸附、氢键吸附;量子力学模拟显示,Ca²⁺,Ca(OH)⁺,OH^-能在石英表面发生吸附,且Ca²⁺吸附作用最强,钙离子活化石英的过程是Ca²⁺优先在石英表面上的O处发生化学吸附,形成被Ca²⁺活化的表面,捕收剂DWD-3以单键氧O_Ⅰ与2个双键O_Ⅱ吸附在被活化的石英表面.     

温度对石墨平面吸附水环境中甲烷分子过程的影响

为研究温度对甲烷分子在水-石墨界面上吸附的影响,利用分子动力学模拟,分析了不同温度下多层石墨平面对水环境中甲烷分子的吸附情况.结果表明:石墨平面片层吸附甲烷分子时呈现出特定的吸附位点,甲烷分子沿这些吸附位点呈六边形状态聚集,且吸附在石墨平面上的甲烷分子有序分层,第1层吸附饱和后将在吸附位点附近继续第2层吸附.进一步分析发现,在等容体系中,石墨平面吸附甲烷量与温度呈近似线性关系,且温度越高吸附总量反而越大.这些研究结果对理解疏水固体表面吸附水环境中气体分子的微观机制有所帮助.     

氟磷灰石与石英表面电子性质及胺类捕收剂吸附作用研究

为深入研究胶磷矿-石英浮选分离机制,揭示胶磷矿、石英表面电子性质及与浮选药剂作用原理,采用Material Studio软件对氟磷灰石(001)面与石英(001)面电子性质及胺类捕收剂吸附作用进行研究。结果表明,氟磷灰石中氧原子及钙原子活性较大,同时表面Ca原子正电荷较大,Ca3d态在价带部分表现出较强的金属活性,导致其在参与化学反应时不易与阳离子捕收剂作用;而石英表面O原子负电荷较大,O2p态在费米能级处贡献最大,表面O原子活性较强,其在参与化学反应时易与阳离子捕收剂作用。两种矿物表面原子电荷及电子态密度差异是其与药剂相互作用差异的主要原因;胺类捕收剂对石英结合能力明显大于氟磷灰石,对石英结合能大小分别为醚胺类多胺类烷基伯胺类。     

不同润湿性修饰石英吸附甲烷的模拟研究

润湿性是油气藏储层岩石的重要基础参数之一，其特征直接影响流体在岩石孔道内的微观分布和宏观分布特征。从微观层面认识页岩气与矿物的相互作用是深入理解页岩气赋存状态的基础。采用分子模拟研究了甲烷在不同石英模型中的吸附行为，考察了不同晶面、亲水与亲油官能团修饰模型对甲烷吸附的影响。研究结论表明，不同晶面模型中，（100）面的吸附量大于其他晶面的吸附量；甲烷在亲油修饰模型中的吸附量大于亲水修饰模型的吸附量；两种修饰模型吸附量均随着压力增加而增加，随温度的升高而减小，且温度对吸附量的影响小于孔径的影响；相同条件下，润湿性修饰模型的吸附量远大于无润湿性修饰模型的吸附量；1 nm修饰模型中甲烷只在壁面处形成吸附层，而2 nm修饰模型中形成多个吸附层。     

冲击压缩条件下熔石英对水的液-固相变的诱导

在气炮加载实验中,利用在线的光透射测量技术研究了水在多次冲击压缩过程中的液一固相变．实验研究结果表明当水夹于熔石英之间时,熔石英对水的液一固相变具有明显的诱导作用．经分析诱导原因是熔石英中的二氧化硅与水之间存在相互作用,使得熔石英表面的水分子具备了成核相变的条件．     

锐钛矿型TiO2(001)和(100)面能带排列的理论研究

对于半导体光催化反应，表面水的吸附状态会影响半导体的能带位置，进而影响其光催化效率.本文基于密度泛函理论，通过构建单层水吸附的锐钛矿型TiO₂(001)和(100)表面模型，计算了不同水吸附状态下的吸附能，从而来初步预测两种表面最稳定的水分子吸附构象.计算结果表明，水分子在TiO₂(001)和(100)表面上混合吸附时对应的吸附能最低.因此，两种表面热力学上最稳定的单层水吸附构型是混合态吸附.另外，水分子的吸附会导致TiO₂(001)和(100)面的能带位置发生上移，从而靠近真空能级.相比于TiO₂(001)面，(100)面能带位置上移程度更大.     

甲烷水合物热导率分子动力学模拟及分析

采用平衡态分子动力学方法模拟分子甲烷水合物导热性能,结合声子态密度分析甲烷分子和水分子间的能量耦合过程;探究范德华相互作用对热导率温度相关性的影响。结果表明:热导率随着甲烷分子和水分子间范德华相互作用的增强而增大。相互作用的增强令甲烷分子的振动峰值向高频区域移动,使得甲烷分子与水分子间的振动耦合作用增强,VDOS匹配程度增加,进而增大了甲烷水合物的热导率。高温下的温度相关性归因于弛豫时间声子的出现导致的非弹性散射,低温下主要受到光学声子模式和低频声子的约束影响。模拟的热导率的温度依赖性与实验结果吻合较好。     

羟基化及硅烷化二氧化硅表面润湿行为的分子模拟

采用分子动力学模拟方法研究水团簇在羟基化及不同链长硅烷化二氧化硅表面的微观润湿行为,通过相互作用能、径向分布函数及扩散系数等参量对微观润湿机制进行分析。结果表明:羟基化二氧化硅表面具有极强亲水性,而硅烷化表面疏水性较强,且疏水性随烷基链增加呈增强趋势;羟基化二氧化硅表面与水分子存在强相互作用,使团簇底部水分子优先向表面移动,并带动其余水分子向表面迁移,促进水团簇在表面铺展,表现出强亲水性;硅烷化二氧化硅表面与水之间主要为范德华作用,不足以克服团簇内部相互作用而破坏水滴结构,表现出强疏水性,随着烷基链增长,表面与水分子的相互作用强度逐渐减弱,疏水性增强。     

CeO2(111)表面的氧物种对Au的活化吸附

采用第一性原理的经过库仑力修正的密度泛函方法,研究了CeO_2(111)表面不同氧空穴附近形成的不同的活性O_2物种.在此基础上,研究这些O_2物种对Au原子的吸附能力,得到过氧O_2-2对Au吸附能为1.8eV,吸附较强;超氧O-2对Au的吸附能为0.4eV,吸附较弱.研究结果为Au/CeO_2催化CO氧化提供了重要理论思路.     

CO_2/CH_4在干酪根中竞争吸附规律的分子模拟

选取有机质作为研究对象,构建干酪根模型,采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法和分子动力学方法(MD)研究不同摩尔分数、不同压力下CH_4和CO_2的气体的竞争吸附行为以及吸附引起的干酪根本体形变。结果表明:CH_4和CO_2单组分吸附时吸附量随着压力的增大而增大,CO_2吸附会在较小的压力时达到饱和,两种气体吸附符合Langmuir吸附规律,可以使用Langmuir方程进行拟合;在相同的压力和温度下,CO_2/CH_4吸附选择性会随着CO_2摩尔分数的增大而减小,CO_2更易被干酪根吸附;干酪根与CO_2有较强的相互作用,干酪根中不同的原子对吸附起着不同的作用;低压阶段吸附是引起体积应变的主要原因,高压阶段压力对体积应变发挥明显作用。     

Thermodynamics and density functional theory study of potassium dichromate interaction with galena

The adsorption heat and reaction rate constant of potassium dichromate on the surface of galena were studied. The results indicate that potassium dichromate tends to adsorption on the galena surface. The reaction order is only 0.08385, suggesting that the concentration of potassium dichromate has little influence on its adsorption on the galena surface. In addition, the simulation of CrO₄2? adsorption on the PbS (100) surface in the absence and presence of O₂ was carried out by density functional theory (DFT). The calculated results show that CrO₄2? species adsorb energetically at the Pb-S bond site, and the presence of O₂ can enhance this adsorption.     

溶氧水在Fe（001）表面吸附的第一性原理研究

为了研究溶解氧含量对Fe基换热表面腐蚀行为的影响机理,根据第一性原理,对O2单分子、H2O单分子和溶氧水体系在Fe基换热表面的吸附进行了研究,采用GGA/PBE,近似计算吸附过程中的吸附能量、态密度及布居数变化。计算结果表明:含氧水溶液中溶液与Fe基表面存在表面吸附,水分子趋向于顶位吸附,氧分子趋向于Griffiths吸附;H2O分子在Fe(001)表面吸附而相互作用时,引起了界面双电层电荷分布的变化,使Fe原子失去电子带正电,导致表面电位发生变化;O2分子在Fe(001)晶面吸附时,促使Fe(001)表面原子失去电子,表面电位增加,O2分子与表面Fe原子易于发生电子转移,其中O原子的2p轨道对于O2分子在Fe(001)晶面的吸附起主要作用;随着溶氧水体系中O2分子所占比例的增大,吸附能的绝对值也随之增加,Fe基换热表面相互作用更强。研究探明了不同溶氧量对Fe基换热表面腐蚀的影响规律,为实验研究金属基体腐蚀机理提供了理论参考。     

NLi4+超碱团簇的结构及储氢性能的理论研究

采用密度泛函理论（B3LYP）方法,在6-311++G（d,p）基组水平上对NLi₄超碱团簇和NLi₄⁺超碱离子团簇的几何结构和稳定性等物理化学性质进行理论计算,进而研究NLi₄团簇和NLi₄⁺团簇的储氢性能。结果表明：NLi₄团簇和NLi₄⁺团簇结构稳定性均比较高,但是通过理论计算表明NLi₄团簇不能有效吸附氢分子,而NLi₄⁺团簇在吸附氢分子过程中不仅结构稳定,而且NLi₄⁺团簇中的每一个锂原子均可有效吸附3个氢分子,氢分子平均吸附能为1.517~2.931 kCal/mol,储氢质量分数达36.67 wt%,合适的吸附能和较高储氢容量表明NLi₄⁺团簇可有望成为良好的储氢材料。     

Molecular dynamics simulation of wetting behavior at CO2/water/solid interfaces

We used molecular dynamics simulation to demonstrate the microscopic wetting behavior of two solid model surfaces for the first time. Hydrophilic and hydrophobic features were modeled in a dense CO₂ fluid environment under various densities. The water droplet loses contact with the surface under the influence of higher density CO₂ fluids on the hydrophobic surface. For the hydro-philic surface, no separation between the water droplet and the surface was observed. However, the contact angle of the water droplet on the hydrophilic surface was found to increase with the fluid density. The effect of dense CO₂ fluid on the surface wettability can be interpreted in terms of enhanced interactions from the surrounding CO₂ molecules.     

表面活性剂对乙烯-醋酸乙烯酯聚合物胶膜润湿性影响的分子动力学模拟

乙烯-醋酸乙烯酯聚合物(ethylene-vinyl acetate, EVA)胶膜是太阳能光伏板的重要组成部分,影响着光伏组件的发电效率、可靠性等性能,但火灾危险性较大。为提高水对EVA胶膜的灭火效果,采用分子动力学模拟的方法,建立14种常见的表面活性剂模型,研究不同种类表面活性剂对于EVA胶膜润湿性的影响,并通过接触角实验验证模拟结果。计算了体系的相互作用能,分析了相对浓度分布、径向分布函数和静电势等参数,从分子尺度揭示润湿机理。结果表明：阴离子表面活性剂作用效果最好,其中十二烷基二苯醚二磺酸钠(sodium dodecyl diphenyl ether disalfonate, SLDED)的亲水基团与水分子的相互作用较强,效能最为突出。在水系灭火剂中添加此类表面活性剂,能够增强水分子在材料表面的附着,达到高效灭火的目的。     

Behavior and mechanism of the adsorption/desorption of tectonically deformed coals

The physical and chemical texture of tectonically deformed coals produced by various formational mechanisms are different from those of primary coals, thus resulting in major differences among the physical properties of the reservoirs of these coals. We have studied the adsorption/desorption behavior of tectonically deformed coals by the use of isothermal adsorption/desorption experiments under equilibrium moisture condition. Experiments of isothermal adsorption/desorption of methane or multi-component gases have indicated that, the adsorption curves of coals with a low degree of tectonic deformation conform to the type of isothermal adsorption curve described by the Langmuir equation; the methane adsorption curves of coals with strong tectonic deformation cannot be described by the Langmuir equation. The adsorption/desorption process of methane and multi-component gases in the deformed coals is not consistent with primary coals, which form an effect of hysteresis in different kinds of tectonically deformed coals. With the change of pore structure of tectonically deformed coals at reservoir condition, the added adsorbed CH₄ in the experiments is desorbed on the pore surface of coals during the pressure reduction process. Thus, the result shows that the adsorption volume in the process of desorbing is greater than that in adsorbing. Because of the deformation, structural change, and transformation of the adsorption potential field of coals, it is essential to form a new kind of isothermal adsorption curve and the hysteresis effect of the desorption process. Supported by National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2006CB202201 and 2009CB219601) and National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 40772135, 40642013 and 40172058)