Molecular Dynamics Simulation for Surface and Transport Properties of Fluorinated Silica Nanoparticles in Water or Decane: Application to Gas Recovery Enhancement

Simulation de la dynamique moléculaire pour les propriétés de surface et de transport des nanoparticules de silice fluorée dans l’eau ou le décane : Application à l’amélioration de la récupération des gaz

School of Physics, Institute for Research in Fundamental Sciences, IPM, Farmanieh Building, No. 70, Farmanieh Av., P.O. Box 19395-5531, Tehran – Iran
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^* Corresponding author

Received: 16 October 2016
Accepted: 24 April 2017

Abstract

Determination of surface and transport properties of nanoparticles (NPs) is essential for a variety of applications in enhanced oil and gas recoveries. In this paper, the impact of the surface chemistry of silica NPs on their hydro- and oleo-phobic properties as well as their transport properties are investigated in water or decane using molecular dynamics simulation. Trifluoromethyl or pentafluoroethyl groups as water and oil repellents are placed on the NPs. It is found that the density and residence time of liquid molecules around the NPs are modulated considerably with the existence of the functional groups on the NPs’ surfaces. Also, much larger density fluctuations for liquids close to the surface of the NPs are observed when the number of the groups on the NPs increases, indicating increased hydrophobicity. In addition, the diffusion coefficient of the NPs in either water or decane increases with increasing the number or length of the fluorocarbon chains, demonstrating non-Brownian behavior for the NPs. The surface chemistry imparts a considerable contribution on the diffusion coefficient of the NPs. Finally, potential of mean force calculations are undertaken. It is observed that the free energy of adsorption of the NPs on a mineral surface is more favorable than that of the aggregation of the NPs, which suggests the NPs adsorb preferably on the mineral surface.

Résumé

La détermination des propriétés de surface et de transport des nanoparticules est essentielle pour une variété d’applications dans les récupérations améliorées de pétrole et de gaz. Dans cet article, l’impact de la chimie de surface des nanoparticules de silice sur leurs propriétés hydro- et oleo-phobiques ainsi que leurs propriétés de transport sont étudiés dans l’eau ou le décane en utilisant la simulation de dynamique moléculaire. On place des groupes trifluorométhyle ou pentafluoroéthyle sous forme d’hydrofuges sur les nanoparticules. On constate que la densité et le temps de séjour des molécules liquides autour des nanoparticules sont modulés considérablement avec l’existence des groupes fonctionnels sur les surfaces des nanoparticules. En outre, des fluctuations de densité beaucoup plus grandes pour des liquides proches de la surface des nanoparticules sont observées lorsque le nombre des groupes sur les nanoparticules augmente, indiquant une hydrophobicité accrue. De plus, le coefficient de diffusion des nanoparticules dans l’eau ou le décane augmente avec l’augmentation du nombre ou de la longueur des chaînes fluorocarbonées, ce qui démontre un comportement non-Brownien pour les nanoparticules. La chimie de surface apporte une contribution considérable au coefficient de diffusion des nanoparticules. Enfin, les calculs de force moyenne sont effectués. On observe que l’énergie libre d’adsorption des nanoparticules sur une surface minérale est plus favorable que celle de l’agrégation des nanoparticules, ce qui suggère que les nanoparticules adsorbent de préférence sur la surface minérale.