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溫度及壓強對CO2-NaCl鹽水系統界面張力的影響（一）
來(lái)源：化工學(xué)報 瀏覽 228 次 發(fā)布時(shí)間:2025-05-13
在超臨界態(tài)CO2封存于深部鹽水層過(guò)程中，溫度、壓強等控制條件是影響封存效率和封存量的重要因素。應用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對343～373 K和6～35 MPa范圍內的CO2-NaCl鹽水系統進(jìn)行了界面張力（IFT）及界面特性的研究，分析了IFT隨溫度及壓強的變化關(guān)系，并觀(guān)測到了壓力平衡點(diǎn)pplateau；從分子尺度（物質(zhì)密度、界面過(guò)余量、界面水合物密度）分析了IFT隨壓強、溫度的變化，以及pplateau產(chǎn)生的原因。結果表明，pplateau前壓強升高或溫度降低將導致CO2密度升高，IFT下降，而pplateau后IFT趨于穩定且受溫度影響較??；CO2的界面過(guò)余量及界面處水合物數量隨壓強及溫度變化，與IFT的變化相反；高壓下界面水合物密度的飽和現象可能是pplateau產(chǎn)生的重要原因。
引言
深部鹽水層CO2地質(zhì)封存所需的注射能耗及最大地質(zhì)埋存深度與CO2-鹽水之間的界面張力（interfacial tension，IFT）直接相關(guān)，并受溫度和壓強的制約。開(kāi)展溫度、壓強對CO2-鹽水間界面張力的影響研究，不僅可以分析IFT隨溫度、壓強等控制參數的變化規律，還能闡述溫度、壓強對IFT產(chǎn)生影響的內在機理進(jìn)而對指導不同環(huán)境條件（溫度、壓強）下的CO2地質(zhì)封存設計，提高注射安全性及存儲容量具有重大意義。
目前實(shí)驗已測定相關(guān)儲層條件下CO2-水和CO2-鹽水系統的IFT值，并觀(guān)測到IFT在定溫條件下會(huì )隨著(zhù)壓強升高而降低，并在壓力平衡點(diǎn)pplateau之后趨于穩定值。實(shí)驗還發(fā)現pplateau的大小與鹽的種類(lèi)及鹽度無(wú)明顯聯(lián)系，僅隨溫度升高而上升。Chalbaud等將pplateau的存在歸因于CO2溶解度的影響，但尚未展開(kāi)深入分析。
分子動(dòng)力學(xué)模擬（molecular dynamics simulation，MD模擬）可以研究多相界面系統的微觀(guān)特性，目前該方法已成功模擬了CO2-水及CO2-鹽水系統，可獲得與實(shí)驗一致的IFT值，并能觀(guān)測界面的微觀(guān)現象，是一種有效的研究手段。
本文應用MD模擬方法，對343～373 K和6～35 MPa范圍內的CO2-NaCl系統進(jìn)行計算，分析了體相及界面各物質(zhì)性質(zhì)隨環(huán)境條件的變化規律，包括CO2的密度、CO2的界面過(guò)余量、界面處CO2水合物數量等，探討了IFT對溫度及壓強依賴(lài)關(guān)系的物理機理，尤其對pplateau現象的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，可為IFT的控制和預測提供理論依據。
1研究對象及方法
1.1對象及模型
本文根據Chalbaud等對CO2-NaCl系統大范圍溫度及壓強下的IFT實(shí)驗研究結果，選擇了溫度及壓強范圍為343～373 K和6～35 MPa的CO2-NaCl系統為研究對象。具體工況參數列于表1。
表1 CO2-NaCl系統的溫度和壓強條件
在計算過(guò)程中，綜合考慮了系統內分子間非鍵結作用力（范德華力、庫倫靜電力）及分子內鍵結作用力（鍵拉伸和鍵彎曲）。分別采用Lennard-Jones勢能函數模擬范德華力，庫侖定律模擬庫侖靜電力，具體分子間勢能函數如式（1）所示
其中，rij為原子i與j之間的距離；εij為勢能阱的深度，εij(εiiεjj)1/2；σij為兩體互相作用的勢能為零時(shí)的距離，σij(σiiσjj)1/2；ε0為真空介電常數；qi及qj為原子i與j所帶電荷量。其中采用PME技術(shù)模擬分子間長(cháng)程庫侖作用力，范德華作用截距設定為0.9 nm。此外，本文采用諧波勢能函數模擬鍵拉伸和鍵角彎曲等分子內鍵結作用力。
圖1 CO2-NaCl系統平衡狀態(tài)
本文計算中，水分子選擇柔性F3C模型，CO2選擇柔性EPM2模型，鹽離子采用Chandrasekhar等開(kāi)發(fā)的模型。應用MD軟件Gromacs4.5并采用周期性邊界條件進(jìn)行計算，所建立的橫截面4 nm×4 nm的計算域示于圖1。計算域中間區域為鹽水，包括4323個(gè)水分子、147個(gè)Na+和147個(gè)Cl-，對應鹽度為1.89 mol·L-1，兩側分別為732個(gè)CO2分子。利用Berendsen方法來(lái)實(shí)現溫度和壓強的設定。由于系統在NPzT系綜下20 ns達平衡態(tài)，故模擬時(shí)間運行30 ns，選取最后5 ns為有效數據進(jìn)行分析。