在本研究中，本研究使用非平衡分子動(dòng)力學(xué)（NEMD）模擬來研究油在表面功能化石墨烯通道中的壓力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn)，通過將水引入通道，可以提高輸油速度。進(jìn)一步的研究揭示了水-油系統(tǒng)傳輸速度增加的兩種可能的不同機(jī)制：一方面，水膜在驅(qū)動(dòng)力下在油和石墨烯基底之間形成，這阻止了石墨烯層和油分子之間的顯著分子間相互作用；另一方面，液體混合物的表觀粘度通過在通道中引入水而降低，這提高了運(yùn)輸效率。對(duì)具有不同官能團(tuán)的表面和具有不同極性的油的進(jìn)一步比較分析證明了這種水誘導(dǎo)的油的流動(dòng)傳輸增強(qiáng)的普遍性。該結(jié)果可用于優(yōu)化現(xiàn)有的采油裝置以提高石油運(yùn)輸效率。
圖1. 仿真模型（以-COOH功能化的通道為例）。本研究模擬了兩種不同的油：極化甲基辛基二硫化物（C
9H
20S
2）和非極化壬烷（C
9H
20）。研究了石墨烯表面上的三種不同官能團(tuán)：-COOH、-OH和-NH
2。
圖2:（a） -COOH功能化石墨烯納米通道的平衡系統(tǒng)快照（暗區(qū)代表油分子，亮區(qū)代表水分子）；（b） 河道中水和油的靜態(tài)密度分布。
圖3. 在不同驅(qū)動(dòng)力下，-COOH官能化石墨烯通道中水和極化油分子的密度分布：（a）F=1×10
–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10
–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10
–3 kcal/mol·Å；（d）F=2×10
–3 kcal/mol·Å。（e，f）施加f=2×10
–3 kcal/mol·Å驅(qū)動(dòng)力前后的流體狀態(tài)。如圖（f）所示，油和通道壁之間形成了兩個(gè)明顯且穩(wěn)定的水膜。
圖4. 在不同驅(qū)動(dòng)力下，-COOH功能化通道中油的速度和密度分布：（a）F=1×10
–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10
–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10
–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10
–3 kcal/mol·Å。在恒定密度范圍內(nèi)，油的速度可以擬合為拋物線關(guān)系，以計(jì)算表觀粘度。
圖5.在-COOH功能化通道中，純極化油和油水系統(tǒng)的速度比較。開放符號(hào)表示純油的速度，填充符號(hào)表示油與水的傳輸速度。
圖6.（a） 不同寬度的三個(gè)不同通道之間的比較。（b）三個(gè)通道中的油的速度分布。
圖7.（a）-OH通道和（b）-NH
2通道中純極化油和油水系統(tǒng)的速度比較。
圖8. 適用于不同驅(qū)動(dòng)力下的油速：（a）F=2×10
–3 kcal/mol·Å和（b）F=1×10
–2 kcal/mol•Å。通過中心速度和所有速度擬合，可以觀察到中心粘度和表觀粘度之間的明顯差異。此外，在大的驅(qū)動(dòng)力下，-OH官能化通道顯示出優(yōu)異的油傳輸性能，而在相對(duì)較低的驅(qū)動(dòng)力之下，油傳輸速度仍然與通道壁的親水性一致。
圖9. 不同驅(qū)動(dòng)力下-NH
2通道中的密度分布：（a）F=1×10
–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10
–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10
–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10
–3 kcal/mol·Å。
圖10.在不同驅(qū)動(dòng)力下，-COOH官能化通道中水和非極化油分子的密度分布：（a）F=1×10
–4 kcal/mol·Å；（b） F=5×10
–4 kcal/mol·Å；（c） F=1×10
–3 kcal/mol·Å；（d） F=2×10
–3 kcal/mol·Å。
圖11.（a） -COOH功能化石墨烯通道中純油和水-油系統(tǒng)的速度分布。這里的油是非極性壬烷。（b） F=2×10
–3 kcal/mol·Å下的流動(dòng)條件快照。水分子已經(jīng)進(jìn)入通道的中心區(qū)域，并形成了與油一起流動(dòng)的水團(tuán)。
圖12. 純油和油-水在（a）-OH通道和（b）-NH
2官能化通道中的速度分布。這里的油是非極性壬烷。
相關(guān)研究成果由德克薩斯大學(xué)Guoping Xiong和圣母大學(xué)Tengfei Luo等人2023年發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C (https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c07081)上。原文：Molecular-Level Understanding of the Effect of Water on Oil Transport in Graphene Nanochannels。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
