沥青质分子聚集体中π-π相互作用的研究

采用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体的分子间π-π相互作用进行了研究。结果表明：沥青质分子间的π-π相互作用能随着分子芳香环数的增加而增大;分子中含有的杂原子显著增加了沥青质分子间的π-π相互作用能;沥青质分子的支链长度及类型能够影响π-π相互作用能的大小;当沥青质分子聚集体中含有多个π-π相互作用时,其分子间的聚集作用力会大大增加;沥青质分子间形成π-π相互作用的过程中,分子间有少量的电子转移;色散作用是π-π相互作用中的主要作用。     

沥青质分子聚集体的解离对策

针对沥青质分子大芳环体系和多杂原子结构特征引起的π-π相互作用及氢键作用,运用量子力学、分子动力学等方法,研究沥青质分子聚集体的解离对策。对于π-π相互作用,从降低沥青质分子间π电子云重叠和减少沥青质分子的π电子数目两个方向研究解离措施;对于氢键作用,从降低沥青质分子间S—H、N—H、O—H间轨道叠加电子转移效应和减少沥青质分子的S、N、O数目两个方向研究解离措施。结果表明：引入π电子云分散剂可有效降低沥青质分子间π电子云重叠程度,对沥青质分子的稠合芳环进行局部加氢饱和可以减少其π电子数目,两条途径的分子模拟结果均能实现沥青质分子聚集体的解离;削弱沥青质分子间π-π相互作用对减弱氢键作用具有明显的促进作用;针对π-π相互作用的解离思路和措施也适应于金属卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体,镍卟啉分子与沥青质分子形成的聚集体的解离难度比钒卟啉的大;提高温度加剧分子热运动及脱除杂原子可削弱或消除氢键作用,但在沥青质分子的其他芳环体系未改变的前提下,消除氢键作用不能实现对沥青质分子聚集体的完全解离。     

沥青质分子聚集体中氢键作用力的研究

为研究沥青质分子聚集体中的氢键作用,用量子力学与分子动力学相结合的方法对形成沥青质分子聚集体中的氢键进行了研究。结果发现,沥青质分子中含有的N、S、O等杂原子是沥青质分子形成氢键的必要条件;沥青质分子聚集体形成单个氢键的键能较小,但聚集体中含有多个氢键时,其分子间的作用力会大幅增加。沥青质分子形成氢键的本质是由于H原子与杂原子的价层轨道电子进行叠加形成的,沥青质分子间有极少量的电子转移,导致形成弱的次级键; 在氢键作用中,起主要作用的是轨道相互作用能和色散作用能。     

原油乳状液稳定机理的分子模拟研究

沥青质在稳定原油乳状液方面发挥重要的作用,采用分子动力学研究了沥青质分子在甲苯 水界面的吸附聚集行为,用量子化学方法研究了沥青质和水分子间以及沥青质分子之间的相互作用能,探讨了沥青质稳定乳状液的作用机理。结果表明,沥青质分子和水分子间氢键的形成是沥青质能够在油 水界面吸附的主要原因,沥青质分子之间的氢键和π π作用使得沥青质构成超分子结构,此超分子结构将水分子包围在内,阻止了水滴的聚并。此外,模拟研究了一种化学破乳剂的破乳过程,结果发现,破乳剂可以通过沥青质分子的间隙,为后续的破乳过程提供了可能。     

塔河沥青质超分子体系的初步探索

以塔河沥青质作为研究对象,对沥青质的超分子体系进行了初步探索。采用动态光散射方法证明了沥青质可以在甲苯溶液中形成超分子结构,基于对沥青质分子结构的认识,利用分子模拟技术研究了形成沥青质超分子结构的分子间作用力,重点考察了氢键、酸碱作用、π-π相互作用以及沥青质分子和金属卟啉化合物之间的配位作用。在这几种分子间作用力中,沥青质分子间的π-π相互作用的能量最大,并随沥青质分子聚集数的增多而增大,是使沥青质形成超分子的最主要推动力。此外,采用甲基化改性方法去掉沥青质分子上的活泼氢,破坏沥青质分子间的氢键及酸碱作用,然后比较其聚集体与沥青质聚集体的差异;结果表明,前者的尺寸要明显小于后者的尺寸,说明通过活泼H而形成的分子间氢键以及酸碱作用与沥青质超分子的尺寸关系最为密切。     

氢键作用对沥青质超分子聚集的影响

对沥青质进行羧基化、磺化和甲基化反应,从加强与钝化氢键作用两个方面对比研究了不同化学处理对沥青质结构、热稳定性以及沥青质聚集的影响。研究发现：羧基、磺酸基等基团引入沥青质分子后,提高了沥青质分子的极性,增强了分子间的氢键作用,显著促进了沥青质的聚集,并且引入的基团极性越强,促进聚集效果越明显;相反,沥青质中含活泼氢官能团被甲基化后,甲基的引入屏蔽了形成氢键作用的基团,降低了沥青质聚集体形成过程中的氢键数量,从而削弱了沥青质的聚集。实验结果直观地证明了氢键作用对沥青质聚集体形成的影响,揭示了甲基化、羧基化及磺化反应影响沥青质聚集的机理。     

石油沥青质超分子聚集及解聚研究进展

石油沥青质组成复杂,氢/碳原子比低,硫、氮等杂原子含量高,给石油开采、运输和加工处理带来困难,究其原因是石油沥青质分子结构复杂,极易发生超分子聚集,形成聚集体。目前对沥青质超分子聚集的认识越来越广泛,并被石油化学工作者广泛接受。沥青质超分子聚集是通过电荷转移作用、偶极作用以及氢键作用形成沥青质分子之间的缔合,这些弱相互作用在石油体系的分子间普遍存在,实现沥青质聚集体的解聚是重质油高效轻质化的基础。研究表明,采用化学方法改变沥青质分子结构或采用物理方法改变沥青质物理状态,均能在一定程度上使得沥青质聚集体解聚。     

沥青质在高定向热解石墨表面络合机制的分子动力学模拟

沥青质在固体表面的络合机制是解决剩余油开采难题的重要理论基础。为了给聚集抑制剂和表面活性剂的开发提供理论依据,采用分子动力学模拟,系统研究了沥青质在高定向热解石墨表面附着、聚集的特征。通过计算表面吸附过程中沥青质的自由能变化,基于Yen-Mullins模型的定量判据,结合沥青质平均相互作用分子数和分子密度分布,定量分析了沥青质在固-液界面体系与溶液体系中聚集作用的差异。分子动力学模拟分析表明,固体表面会降低沥青质的聚集程度,加快聚集过程中的阶段分化,具体包括4个阶段的界面过程：①沥青质覆盖固体表面并逐渐铺满一层;②固体表面上形成纳米聚集体;③固体表面上纳米聚集体与溶液中的纳米聚集体通过边缘堆叠、T形堆叠形成簇状物;④固体表面的聚集体与溶液中的聚集体通过脂肪侧链接触形成絮凝物。     

减压渣油微观相结构特性的分子模拟

选用4种模型化合物代表减压渣油四组分(SARA),采用分子动力学模拟了减压渣油微观相结构,发现不同结构分子间相互作用的差异是减压渣油微观非均匀分布的本质原因,并通过电子分布特性分析了不同结构分子间相互作用差异的本质原因。沥青质分子间强相互作用使得沥青质分子自缔合形成聚集体;而多个胶质分子与沥青质分子的强相互作用封闭了沥青质分子自身进一步发生相互作用的活性位;同时,与胶质分子、饱和烃分子具有强相互作用的芳香烃分子将沥青质 胶质分子形成的聚集体分散在由芳香烃 饱和烃分子构成的连续相内,其中芳香烃分子更靠近胶质分子。因此,增加沥青质、饱和烃分子的含量会促进沥青质聚集,降低减压渣油稳定性;增加胶质、芳香烃分子的含量会阻碍沥青质聚集,提高减压渣油稳定性。     

沥青质-二甲苯体系中结构组成对沥青质自扩散系数的影响

以沥青质-二甲苯体系模拟稠油体系,采用分子模拟方法考察沥青质致黏机理。沥青质-二甲苯平衡体系中沥青质的自扩散主要受沥青质分子间相互作用的影响。沥青质分子间相互作用能越大,沥青质自扩散的越慢,对应的稠油黏度越大。而沥青质分子间相互作用主要包括芳香环之间的π-π作用和含有较强电负性杂原子基团间氢键两方面。这将为稠油降黏提供理论指导。     

INTERMOLECULAR FORCES IN AGGREGATES OF ASPHALTENES AND RESINS

ABSTRACT

In order to determine the forces acting in the asphaltene and resin molecular aggregates, an analysis of the origin of the intermolecular interactions in organic molecules was made. The results showed that the forces present in the aggregates of asphaltenes and resins were only those originated in the van der Waals, Coulombic (electrostatic), charge transfer and induction plus the exchange–repulsion interaction. No other forces were found to be significant in these aggregates that are formed by molecules containing well-known atomic groups. Molecular orbital calculations in resins and model asphaltene suggested that charge transfer is small or negligible in their aggregates. Although the H bonds present could be quite strong, other intermolecular interactions should not be disregarded in the analysis of the energy of their aggregates.     

INTERMOLECULAR FORCES IN AGGREGATES OF ASPHALTENES AND RESINS

In order to determine the forces acting in the asphaltene and resin molecular aggregates, an analysis of the origin of the intermolecular interactions in organic molecules was made. The results showed that the forces present in the aggregates of asphaltenes and resins were only those originated in the van der Waals, Coulombic (electrostatic), charge transfer and induction plus the exchange-repulsion interaction. No other forces were found to be significant in these aggregates that are formed by molecules containing well-known atomic groups. Molecular orbital calculations in resins and model asphaltene suggested that charge transfer is small or negligible in their aggregates. Although the H bonds present could be quite strong, other intermolecular interactions should not be disregarded in the analysis of the energy of their aggregates.     

水和羧酸钙对润滑油氧化产物聚集影响的分子动力学

采用分子动力学(MD)模拟的方法,研究了不同温度下润滑油氧化产生的极性小分子的聚集行为以及水和羧酸钙分子对其聚集的影响。研究结果表明：润滑油氧化产物分子可以通过氢键产生聚集,形成的氢键聚集体相互作用能为14~58 kJ/mol;随着温度的升高,键能较低的氢键不易形成或容易断裂,因此其聚集程度降低;当体系中含有水或羧酸钙分子时,不同温度下均发生明显的聚集,分别形成了润滑油氧化产物包裹的水分子团聚体或羧酸钙分子的聚集体。润滑油氧化产物与水和羧酸钙分子之间的相互作用能分别为24~60 kJ/mol和66~87 kJ/mol,其比各类润滑油氧化产物分子之间形成的氢键聚集体的相互作用能高,稳定性更好,因此可以在温度较高的条件下形成较稳定的聚集体。     

分子动力学模拟研究大分子润滑油氧化产物的运动和聚集行为及其对基础油性能的影响

The mobility and aggregation behavior of macromolecular lubricant oxidation products and their influences on the performance of base stock were probed by molecular dynamics (MD) simulation. The mean squrare displacement (MSD) of molecules was calculated to explore the mobility of molecules. The distribution appearance of lubricant oxidation products in models was acquired to explore the aggregation of molecules. The results show that the mobility of macromolecular oxidation products is lower than that of base stock, and the MSD of macromolecular oxidation products reduces with the increasing macromolecular weight. Macromolecular oxidation products can also decrease the mobility of basic oil. The interaction energy between macromolecules and base stock ascends with the increase of macromolecular weight. Macromolecules with larger molecular weight can affect more basic oil molecules with stronger restriction, which leads to lower mobilities of base stock molecules. There are aggregates formed among macromolecular oxidation products, and the molecules in aggregates are connected by hydrogen bonds. The quantity of hydrogen bonds in aggregates is related to temperature.