基于分子动力学的钠离子与纳米二氧化硅表面的相互作用过程模拟

认识盐水中的Na^(+)对纳米SiO_(2)的作用过程,可为优化纳米SiO_(2)在石油开采领域的应用参数提供依据。以无定形纳米SiO_(2)粒子为研究对象,构建了一种既有饱和稳定的硅醇基团,又有脱质子化的硅醇基团的纳米SiO_(2)粒子模型。通过分子模拟方法,刻画了Na^(+)在纳米SiO_(2)表面的运移特征、扩散行为、对氢键的影响以及体系中的相互作用能。结果表明,在纳米SiO_(2)-NaCl溶液体系中,当Na^(+)运移至距纳米SiO_(2)粒子表面6.540A时,短程力开始起作用;当Na^(+)运移至距纳米SiO_(2)粒子表面2~3A时,二者发生电荷交换,Na^(+)产生振荡运动。在NaCl质量浓度为3 g/L时,Na^(+)与水分子主要进行水合作用,形成稳定的溶剂化层,Na^(+)与纳米SiO_(2)粒子之间的作用力弱,Na^(+)更易在溶液中扩散。随着NaCl质量浓度增至7 g/L,Na^(+)突破溶剂化层,和水分子一起被吸附到纳米SiO_(2)粒子的表面,发生电荷置换,Na^(+)的运移能力减弱,扩散系数由1.39×10^(-4)A^(2)/ps下降至3.75×10^(-5)A^(2)/ps,斯特恩层的厚度由0.88A下降至0.72A,亥姆霍兹层的厚度由0.64A下降至0.20A,纳米SiO_(2)与Na^(+)之间的相互作用能由-14 000 kcal/mol变为-22 000 kcal/mol,纳米SiO_(2)的稳定性逐渐被破坏。Na^(+)与纳米SiO_(2)粒子的静电相互作用是影响纳米SiO_(2)粒子表面性质的主要作用力,氢键和范德华力则是次要作用力。研究结果可为纳米SiO_(2)材料在油气开采领域及其他相关行业的应用提供基础理论认识。