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溫度及壓強對CO2-NaCl鹽水系統界面張力的影響(一)
來源:化工學報 瀏覽 652 次 發布時間:2025-05-13
在超臨界態CO2封存于深部鹽水層過程中,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。應用分子動力學模擬的方法對343~373 K和6~35 MPa范圍內的CO2-NaCl鹽水系統進行了界面張力(IFT)及界面特性的研究,分析了IFT隨溫度及壓強的變化關系,并觀測到了壓力平衡點pplateau;從分子尺度(物質密度、界面過余量、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小;CO2的界面過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產生的重要原因。
引言
深部鹽水層CO2地質封存所需的注射能耗及最大地質埋存深度與CO2-鹽水之間的界面張力(interfacial tension,IFT)直接相關,并受溫度和壓強的制約。開展溫度、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產生影響的內在機理進而對指導不同環境條件(溫度、壓強)下的CO2地質封存設計,提高注射安全性及存儲容量具有重大意義。
目前實驗已測定相關儲層條件下CO2-水和CO2-鹽水系統的IFT值,并觀測到IFT在定溫條件下會隨著壓強升高而降低,并在壓力平衡點pplateau之后趨于穩定值。實驗還發現pplateau的大小與鹽的種類及鹽度無明顯聯系,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,但尚未展開深入分析。
分子動力學模擬(molecular dynamics simulation,MD模擬)可以研究多相界面系統的微觀特性,目前該方法已成功模擬了CO2-水及CO2-鹽水系統,可獲得與實驗一致的IFT值,并能觀測界面的微觀現象,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系統進行計算,分析了體相及界面各物質性質隨環境條件的變化規律,包括CO2的密度、CO2的界面過余量、界面處CO2水合物數量等,探討了IFT對溫度及壓強依賴關系的物理機理,尤其對pplateau現象的產生原因進行了分析,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技術模擬分子間長程庫侖作用力,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
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等開發的模型。應用MD軟件Gromacs4.5并采用周期性邊界條件進行計算,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個水分子、147個Na+和147個Cl-,對應鹽度為1.89 mol·L-1,兩側分別為732個CO2分子。利用Berendsen方法來實現溫度和壓強的設定。由于系統在NPzT系綜下20 ns達平衡態,故模擬時間運行30 ns,選取最后5 ns為有效數據進行分析。





