文献介绍

天津大学化学工程与技术学院隋红教授团队、杜金泽老师在期刊《Nanomaterials》上发表文章，该研究创新性地结合实验和分子动力学模拟，深入探讨了表面活性剂提高碳酸盐沥青岩中重油-固体分离效率的详细机制，为提高重油采收率提供了新的理论依据和技术指导。

该研究通过SARA分析、元素分析、原子力显微镜（AFM）测量和分子动力学模拟等多种方法，揭示了表面活性剂能够有效降低油/固体相互作用力，从而增强油-固体分离。研究发现，油-固体相互作用力与表面活性剂浓度、pH值、沥青质含量和盐度密切相关。分子动力学模拟结果进一步阐明了表面活性剂分子首先吸附在SARA组分分子表面，随后在分子热运动作用下将SARA分子从方解石表面剥离的微观过程，且表面活性剂分子不会直接吸附在微量矿物表面。

背景介绍

重油开采是全球能源领域面临的重大挑战之一。传统的重油开采方法，如热水提取法，在处理碳酸盐沥青岩时由于重油与碳酸钙之间存在强烈的相互作用力，其效率低下。溶剂萃取和热解等替代方法也存在环境污染、成本高昂或能耗大的问题。因此，寻找能够有效降低油-固体相互作用力的新方法至关重要。表面活性剂作为化学强化采油（C-EOR）中的常用化学品，因其能有效降低油-固体相互作用力而备受关注，但其在重油-固体分离中的具体作用机制仍有待深入研究。

理论研究方法

研究采用分子动力学（MD）模拟，利用Materials Studio (MS) 软件，对表面活性剂在重油-固体分离过程中的作用进行了微观层面的探索。

主要模拟步骤：一，SARA组分吸附到方解石表面；二，将五种表面活性剂水溶液加入到体系中；三，观察重油从矿物中解吸的过程。

模拟条件：Forcite模块、NVT系综、COMPASS力场、298 K温度和Berendsen恒温器，模拟时间为2000 ps，步长为1 fs。

通过研究SARA组分的总解吸时间、相对浓度、均方位移以及能量/温度平衡，并分析表面活性剂官能团在SARA解吸中的作用，从而揭示了表面活性剂增强重油-固体分离的微观机制。

结果和讨论

1.饱和烃-固体分离过程中的表面活性剂效应

图1 连续快照显示从浸入以下溶液的模拟方解石表面解吸饱和物的过程：(a) CTAB; (b) SDS; (c) TX-100; (d) 糖脂类; (e) 鼠李糖脂-水体系正好。蓝色 = 水；黑色 = 饱和物；红色 = 方解石表面；黄色 = 表面活性剂

图2 (a) 饱和相对浓度；(b) 均方位移

图1是饱和烃从方解石表面解吸的连续快照。结果表明，五种表面活性剂都能促进饱和烃的解吸。其中，CTAB表现出最强的解吸能力，其总解吸时间最短（0.42 ns），这是因为其与饱和烃分子的强相互作用。生物表面活性剂槐糖脂（sophorolipid）的解吸效果优于鼠李糖（rhamnolipid）。图2（a）CTAB溶液中的饱和烃位移最大（13.5 Å），且主要集中在距离方解石表面15-30 Å的区域，这与CTAB最短的完全解吸时间相吻合，表明CTAB能最有效地将饱和烃从矿物表面剥离并使其远离。（b）均方位移（MSD）CTAB的MSD系数最高

2.芳香烃-固体分离过程中的表面活性剂选择性

图3 在(a) CTAB；(b) SDS；(c) TX-100；(d) 卢比脂；(e) 藤黄糖脂-水系统中，从模拟方解石表面连续脱附芳香烃的快照。蓝色 = 水；黑色 = 芳香烃；红色 = 方解石表面；黄色 = 表面活性剂

图4 芳香族相对浓度；(b) 平均平方位移

图3显示了芳香烃从方解石表面解吸的连续快照。与饱和烃相比，芳香烃的解吸过程更具挑战性，因为芳香烃与方解石表面的相互作用力更强。槐糖脂对芳香烃的解吸效果最佳（0.256 ns），而CTAB效果最差（1.482 ns）。这表明表面活性剂的官能团和结构对芳香烃的解吸效果有显著影响。1图4MSD系数进一步揭示了SDS溶液中芳香烃的扩散系数最高，这可能与芳香烃在SDS胶束中的溶解行为有关，强调了表面活性剂对芳香烃解吸和扩散行为的特异性影响。

3.树脂-固体分离过程中的生物表面活性剂优势

图5 模拟的方解石表面连续脱附树脂的快照，该表面浸入(a) CTAB；(b) SDS；(c) TX-100；(d) 蔗糖脂；(e) 鼠李糖脂-水体系。蓝色 = 水；黑色 = 树脂；红色 = 方解石表面；黄色 = 表面活性剂。

图6 树脂的相对浓度；(b) 平均平方位移。

图5展示了树脂从方解石表面解吸的连续快照。树脂具有比饱和烃和芳香烃更高的分子量和更强的堆积程度。鼠李糖脂对树脂的解吸效果最佳（0.4 ns），其次是槐糖脂（0.582 ns）。这表明生物表面活性剂在促进树脂解吸方面具有显著优势，其官能团（如羟基、羧基、醚基）能与树脂分子形成强相互作用。图6MSD系数也显示TX-100和鼠李糖脂溶液中树脂的扩散系数较高，表明这些表面活性剂在促进树脂解吸和后续扩散方面具有协同作用。

总结与展望

本研究通过实验和分子动力学模拟的结合，全面揭示了表面活性剂增强碳酸盐沥青岩中重油-固体分离的微观机制。研究证实表面活性剂能有效降低油-固体相互作用力，提高采收率和油/固比。分子动力学模拟结果与实验数据高度吻合，表明表面活性剂分子通过吸附在SARA组分表面，并在分子热运动的驱动下将其从矿物表面剥离。不同表面活性剂对SARA各组分的解吸效果存在差异，这与它们的官能团和分子结构密切相关。例如，CTAB对饱和烃效果最佳，槐糖脂对芳香烃效果最佳，而鼠李糖脂对树脂效果最佳。沥青质由于其复杂的分子结构和强相互作用力，在6 ns的模拟时间内未能完全从方解石表面解吸。

这项研究不仅为理解表面活性剂在重油-固体分离中的作用提供了深入的理论见解，也为未来设计和筛选高效表面活性剂提供了重要的指导。展望未来，可以进一步探索新型生物表面活性剂在极端条件（如高温、高盐度）下的性能，并结合机器学习等先进技术，加速新型表面活性剂的开发，以期在工业化重油开采中实现更高效、更环保的油-固体分离技术，为全球能源可持续发展贡献力量。

文章信息

原文标题：Surfactants Enhanced Heavy Oil–Solid Separation from Carbonate Asphalt Rocks-Experiment and Molecular Dynamic Simulation

标题中文翻译：表面活性剂增强碳酸盐沥青岩中重油-固体分离的实验与分子动力学模拟

期刊：Nanomaterials

DOI：10.20964/2019.12.36

通讯作者单位：天津大学化学工程与技术学院