脉冲电场O/W乳状液破乳的分子动力学模拟

doi:10.7503/cjcu20210139

摘要/Abstract

摘要：

采用分子动力学方法研究了水包油(O/W)型乳状液体系中重油油滴在脉冲电场中的聚集行为. 通过改变电场占空比的模拟参数, 探讨了一定电场强度下的油滴聚集行为, 以及电场破乳时电场强度参数与占空比参数之间的联系. 同时利用静电势分布、相互作用势能以及结合构象统计等分析方法, 从微观角度说明在电场作用下油滴的电荷分布与聚集机制. 模拟结果表明, 在近0.40~0.75 V/nm范围内电场强度下, 距离一定的重油滴聚集, 低电场强度可通过增加占空比促使油滴聚集, 且占空比随电场强度的增大而减小; 油滴在电场中发生形变, 油滴电荷出现两极化分布, 带负电沥青质分子引导油滴朝电场反方向移动; 无电场下聚集过程中沥青质处于两油滴界面, 范德华作用力为油滴聚集的主要作用力, 同时油滴界面沥青质分子与周围分子形成π-π结合构象, 增强了油滴间的相互作用力.

关键词: 双向脉冲电场, 重油油滴, 电场强度, 占空比, 分子动力学

Abstract:

The aggregation behavior of two heavy oil droplets in an O/W emulsion system in a pulsed electric field was studied by molecular dynamics method. By changing the simulation parameters of duty cycle， the aggregation of oil droplets under certain electric field intensity and the relation between electric field intensity parameters and duty cycle parameters during electric field demulsification were discussed. At the same time， the charge distribution and the accumulation mechanism of oil droplets in the electric field were explained from the microscopic point of view by analysis methods of electrostatic potential distribution， interaction potential energy and adsorption structure statistics. The simulation results showed that：（1） the duty cycle could be adjusted to control the applied time of electric field. Oil droplets accumulate at electric field in the range of 0.40—0.75 V/nm， and the duty cycle decreases with the increase of electric field intensity；（2） the oil droplets deforme and the charge is polarized in the electric field， and the negatively charged asphaltene molecules guid the droplet to move in the opposite direction of the electric field；（3） the asphaltenes are at the interface of two oil droplets in the process of aggregation without electric field， and van der Waals action is the main force for oil droplets' aggregation. Meanwhile， asphaltenes at the interface of oil droplets form π-π binding conformation with surrounding molecules， which enhances the interaction between oil droplets.

Key words: Bidirectional pulsed electric field（BPEF）, Heavy oil droplet, Electric field intensity, Duty cycle, Molecular dynamics

中图分类号:

O641

TrendMD:

刘沙沙, 张恒, 苑世领, 刘成卜. 脉冲电场O/W乳状液破乳的分子动力学模拟. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2170.

LIU Shasha, ZHANG Heng, YUAN Shiling, LIU Chengbu. Molecular Dynamics Simulation of Pulsed Electric Field O/W Emulsion Demulsification. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(7): 2170.

图/表 10

Fig.1 Asphaltene and resin molecules used in the simulations

Table 1 Composition of crude oil

Component of oil		Number
Asphaltene	Asp1	4
	Asp2	4
Resin	Resin 1	5
	Resin 2	5
	Resin 3	5
	Resin 4	5
	Resin 5	5
	Resin 6	5
Hydrocarbon	Benzene	13
	Cycloheptane	35
	Cyclohexane	22
	Heptane	29
	Hexane	32
	Nonane	40
	Octane	34
	Toluene	35

Fig.2 Schematic diagram of building an oil drop model

Fig.3 Lateral view of model simulation for the movement and aggregation behavior of oil droplets in O/W emulsion under BPEF(A) and palse electric field waveform(B)(A) For clarity, water molecules in the system are removed; (B) E and -E: the strength of electric field were pulsed by voltages, T was the pulsed cycle of BPEF. t1 and t3 were output durations. t2 and t4 were shut-off durations.

Fig.4 Oil droplet structure model(A) and atom density distribution from the center of the oil droplet to the surface(B)

Fig.5 Behaviors of oil droplets changes during the output(A―C) and shut?off(D―F) voltage phase for three duty cycle of 50%(A, D), 72.5%(B, E) and 90%(C, F), respectivelyThe pink parts represent asphaltene molecules; the green represents resins and light crude oil molecules.

Fig.6 Result statistics of the aggregation behavior of oil droplets under the combined action of electric field strength and duty cycle

Fig.7 Electrostatic potential distribution of the surface charge of the oil droplets during movement and aggregation and its enlarged view

Fig.8 Electrostatic potential distribution of the surface charge of the oil droplets during movement and aggregation and its enlarged view

Fig.9 Microscopic distribution of asphaltene molecules between oil droplets(A) and statistics of adsorption conformation in different aggregation conformations(B)

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