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溫度及壓強(qiáng)對(duì)CO2-NaCl鹽水系統(tǒng)界面張力的影響（二）
來源：化工學(xué)報(bào) 瀏覽 162 次 發(fā)布時(shí)間:2025-05-13
1.2數(shù)據(jù)處理
計(jì)算系統(tǒng)中包括兩個(gè)界面，根據(jù)界面張力γ定義，系統(tǒng)中γ可由式（2）計(jì)算
式中，pxx,pyy,pzz分別為沿x，y，z方向壓強(qiáng)張量對(duì)z向的角分量。
吉布斯分界面（Gibbs dividing surface，GDS）為以體相為參照，垂直于界面方向上CO2相多余水分子與溶液相缺乏水分子相等的位置，其厚度采用0.1～0.9倍水密度之間的距離表示。
界面過余量表征物質(zhì)在界面和體相中的量差異，本文中CO2-NaCl系統(tǒng)界面處i分量的界面總過余量可用式（3）表示
2結(jié)果與討論
2.1 IFT值的變化
本文分別模擬了343 K和373 K的各壓強(qiáng)下鹽濃度為1.89 mol·L-1的CO2-NaCl系統(tǒng)，IFT的計(jì)算結(jié)果示于圖2。由圖2可以看出，模擬所得的IFT值與Chalbaud等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。在溫度為343 K時(shí)[圖2(a)]，IFT值隨著壓強(qiáng)的不斷升高，其減幅逐漸下降，最終在壓力平衡點(diǎn)pplateau=15 MPa之后達(dá)到穩(wěn)定值34 mN·m-1。373 K時(shí)[圖2(b)]的IFT值變化與343 K時(shí)極為相似，IFT值同樣隨著壓強(qiáng)的升高而下降，且下降速度不斷趨于平緩，由于高壓情況下實(shí)驗(yàn)設(shè)備等因素受限制，實(shí)驗(yàn)方法尚未得到25 MPa以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，故在實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)范圍內(nèi)并未觀測(cè)到壓力平衡點(diǎn)。而本文應(yīng)用分子模擬的方法，成功模擬了25～35 MPa下的CO2-NaCl系統(tǒng)，觀測(cè)到壓強(qiáng)在pplateau=25 MPa之后達(dá)到穩(wěn)定值33 mN·m-1。
圖2 343 K和373 K下CO2-NaCl系統(tǒng)的IFT值
對(duì)比圖2(a)與圖2(b)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鹽濃度一定（1.89 mol·L-1）時(shí)，pplateau之前的CO2-NaCl系統(tǒng)任意壓強(qiáng)點(diǎn)的IFT值在溫度為343 K時(shí)均小于373 K；同時(shí)隨著壓強(qiáng)的不斷升高，兩者差值不斷縮??；而至壓力平衡點(diǎn)之后兩溫度下的IFT穩(wěn)定值相接近，故溫度對(duì)高壓系統(tǒng)IFT穩(wěn)定值的影響不大。此外，由于343 K下壓力平衡點(diǎn)為15 MPa，373 K壓力平衡點(diǎn)為25 MPa，故可推測(cè)壓力平衡點(diǎn)會(huì)隨溫度升高而增大。
2.2密度分布圖
圖3 343 K和373 K下界面CO2、H2O、鹽離子密度
為從分子角度更加詳細(xì)地描述界面性質(zhì)的變化，本文選取并計(jì)算了界面處2 nm厚度區(qū)域的CO2、H2O、Na+及Cl-的密度，結(jié)果示于圖3。由圖3可以觀測(cè)到：當(dāng)從CO2相向溶液相過渡時(shí)，CO2密度逐漸下降，H2O密度則逐漸上升；而鹽離子密度則從界面中心向溶液相，由0逐漸達(dá)到某一穩(wěn)定值。由圖3可以看出，溫度一定時(shí)，CO2在CO2相的密度隨著壓強(qiáng)的升高逐漸升高。由[圖3(a)]可以看出，溫度為343 K時(shí)，當(dāng)壓強(qiáng)由6.5 MPa升高至22 MPa，CO2相的CO2密度從580 kg·m-3升高至800 kg·m-3左右；而溫度為373 K時(shí)[圖3(b)]，當(dāng)壓強(qiáng)由11 MPa升高至17 MPa，CO2相的CO2密度從約420 kg·m-3升高至600 kg·m-3左右。此外，對(duì)比圖3(a)和(b)還可知，當(dāng)壓強(qiáng)恒定在11 MPa時(shí)，溫度由343 K升高到373 K，CO2相的CO2密度則由700 kg·m-3降至420 kg·m-3左右。
綜上所述，壓強(qiáng)的升高和溫度的降低均對(duì)界面處CO2相的CO2密度產(chǎn)生較大的影響，而CO2密度的變化與IFT值的變化聯(lián)系密切。具體而言，壓強(qiáng)升高或溫度降低時(shí)，CO2分子排列緊湊，界面分子受力的不均勻性有所好轉(zhuǎn)，增大了其與水分子之間的吸引力。高密度下CO2分子更易進(jìn)入水相，從而破壞了部分水分子間的氫鍵作用，界面上水分子受到內(nèi)部分子的引力有所降低。以上兩方面因素導(dǎo)致了界面水分子所受內(nèi)部吸引力的減小，進(jìn)而使得IFT值下降。