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溫度、鹽對辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽的油-水界面行為的影響（一）
來源：化工學報 瀏覽 951 次 發布時間:2024-11-07
摘要：采用分子動力學模擬（MD）的方法在分子層面上考察辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽（OPES）在油-水界面的界面行為。模擬結果表明：辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽可以大幅降低油-水界面的界面張力，在OPES濃度達到飽和濃度時，系統界面張力僅為3.85 mN·m-1；OPES中磺酸基是主要親水基團，具有良好的親水性；溫度在318～373 K時，界面張力由24.63 mN·m-1下降到17.43 mN·m-1，這說明OPES具有良好的抗高溫性能；當Na+濃度在1%～5%的環境下OPES性質穩定，界面張力僅有4.47 mN·m-1的小幅增加，因此OPES具有良好的耐鹽性，并且其對Na+的耐鹽性能好于對Ca2+的耐鹽性。
在三次采油中，為提高原油采收率，經常利用表面活性劑來降低油水界面張力，目前國內部分油田綜合含水量已高達90%，單獨的陰離子、非離子型表面活性劑已經不能滿足當前的采油要求，陰非離子型表面活性劑作為一種同時有非離子及陰離子表面活性劑優點的兩性表面活性劑對于目前日益嚴苛的采油環境的適應性更強。本文研究的辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽（OPES）是一種具有優良的乳化、耐溫、耐鹽性能的陰非兩性表面活性劑，它已經作為分散劑、潤濕劑、乳化劑、洗滌劑等被廣泛地應用于石油、日化、紡織等領域。
分子動力學模擬主要是利用牛頓力學來模擬分子的運動，從不同狀態下的體系抽取樣本進行構型積分并以此為基礎計算體系的熱力學量等宏觀性質。從20世紀90年代后期，人們開始利用計算機模擬研究表面活性劑的性能，它可以將真實環境中的實驗現象在分子層面進行解釋。對液液界面的研究作為分子動力學模擬的重要研究方向之一近年來受到廣泛的關注和報道，如Jang等利用MD模擬了苯磺酸基在不同位置時十六烷基苯磺酸鹽的界面張力等界面性能。Wardle等考察了表面活性劑對無機鹽、水和正己醇構成的混合物中鈉離子遷移的影響。陳貽建等用MD模擬方法對表面活性劑在氣-液、固-液、液-液界面的自組裝現象進行深刻解釋分析。因此利用MD方法研究表面活性劑的界面張力、抗溫、抗鹽等界面性能具有重要意義。國內對于應用分子動力學模擬來研究表面活性劑性能的起步較晚，特別是對具有耐溫、耐鹽性能的表面活性劑的研究較少，本文通過分子動力學模擬來研究辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽的油-水界面行為、抗溫、抗鹽性能，可為實際實驗提供較為準確的指導。
1、分子動力學模擬的模型選擇與模擬方法
20世紀80年代以來，人們相繼研發出可以適合不同環境的力場，如GROMOS、OPLS、AMBER、CHARMM等。本文選擇Gromacs中GROMOS53a6力場，以辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽為研究對象進行模型構建。
分子的物理化學性質由其分子結構決定，因此合理的分子結構以及準確的原子電荷是模擬準確性的基礎保證。首先要對模擬對象用GAMESS（US）進行結構優化，然后利用Kollman-Singh方法計算電荷，另外如果分子內存在對稱結構還需進行電荷平均化來保證電荷分配的合理性。由于本文采用聯合原子力場，因此還要去除sp3雜化。圖1為優化后的OPES分子結構以及電荷分布，圖中綠色小球為碳原子，白色小球為氫原子，紅色小球為氧原子，黃色小球為硫原子。
在進行分子動力學模擬之前構建出合理的力場是極為重要的工作。本文通過Autom-ated Topology Builder(ATB)and repository生成的GROMOS系列力場參數，利用現有的數據庫以及量子化學進行計算，同時它可以充分考慮到分子中的對稱結構，使其反映出的分子性質及參數更為精確。但ATB只能處理原子數小于40的分子，對于分子數大于40的分子結構需進行拆分。在獲取準確的電荷及鍵參數之后利用packmol程序定向排列分子將其堆砌成立方體結構。此外，本文選取的油-水界面需使表面活性劑平均分布在水相兩側，親水基靠近水相，疏水基靠向油相。圖2為初始狀態下體系截圖，其中中間紅色部分為水分子，左右兩側藍色部分為癸烷分子，油水中間即OPES分子。
圖1辛基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽的分子結構以及電荷分布
本文中所有體系所堆砌的盒子均為5 nm×5 nm×17.5 nm長方體，并在x、y、z方向選擇周期性邊界條件。系綜選擇NPT（等粒子等溫等壓系綜），初始壓力為1.01325×105Pa，水模型使用SPC（simple point charge），溫度采用Nose-Hoover熱浴法，壓力采用Parrinello-Rahman壓浴法，由于模擬過程中系統為等壓變化所以本文模擬的所有系統最終壓力值均在1.0081×105～1.0178×105Pa之間。在體系能量最小化后，先進行100 ps的NVT模擬，使體系升溫到300K并在此溫度下產生初速度，再進行1 ns的NPT模擬使體系密度達到合理狀態，再進行12 ns的NPT模擬，控溫及控壓的弛豫時間為0.5、4.0 ps，積分步長為2 fs，在模擬過程中添加適當的陰陽離子保持體系為電中性。
圖2初始狀態下體系截圖