Molecular dynamics simulations of interfacial properties of the CO2–water and CO2–CH4–water systems

甲烷 笼状水合物 化学 单层 分子动力学 范德瓦尔斯力 吸附 二氧化碳 表面张力 化学物理 静水压力 分子 热力学 水合物 物理化学 有机化学 计算化学 生物化学 物理
作者
Parisa Naeiji,Tom K. Woo,Saman Alavi,Ryo Ohmura
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:153 (4) 被引量:34
标识
DOI:10.1063/5.0008114
摘要

Molecular dynamics simulations were performed to study the interfacial behavior of the pure carbon dioxide-water system and a binary 40:60 mol. % gas mixture of (carbon dioxide + methane)-water at the temperatures of 275.15 K and 298.15 K and pressures near 4 MPa for CO2 and up to 10 MPa for methane. The simulations are used to study the dynamic equilibrium of the gases at the water-gas interface, to determine the z-density profiles for the gases and water, and calculate the interfacial tension γ under the different temperature/pressure conditions close to those of the formation of clathrate hydrates of these gases. At the same hydrostatic gas phase pressure, the CO2-water interface has a lower interfacial tension than the CH4-water interface. A greater number of CO2 molecules, as much as three times more than methane at the same pressure, were adsorbed at the interfacial layer, which reflects the stronger electrostatic quadrupolar and van der Waals interactions between CO2 and water molecules at the interface. The water surfaces are covered by less than a monolayer of gas even when the pressure of the system goes near the saturation pressure of CO2. The surface adsorbed molecules are in dynamic equilibrium with the bulk gas and with exchange between the gas and interface regions occurring repeatedly within the timescale of the simulations. The effects of the changes in the CO2-water interfacial tension with external temperature and pressure conditions on the formation of the clathrate hydrates and other CO2 capture and sequestration processes are discussed.
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