天然气通过富含二氧化硅的岩石中的微小孔隙和裂缝从地面散发出来。这些微小的孔隙改变了通过它们的气体的行为。为了了解气体通过这些孔隙运移的基本过程，并帮助更好地从地球上回收这些气体，有必要了解模型孔隙内气体的行为。因此，人们开展了一些研究，以了解甲烷、乙烷和丙烷在工程硅孔中的行为。然而，在自然环境中，孔隙往往充满水分，因此了解这种水分对气体通过孔隙迁移的影响是很重要的。中子散射实验是研究气体在多孔材料中的运动的一种方法。在这样的实验中，一束具有已知能量的中子被轰击在待研究的材料上。

图1所示。水减缓丙烷通过硅孔的运动。在没有水的情况下，丙烷(红色圆盘)分子能够不受阻碍地通过二氧化硅孔(上图)。当一些水分子(黄色圆盘)被引入孔隙时，它们往往会减慢丙烷(中间的面板)的速度。在水含量非常高的情况下，一些水分子在孔隙中形成一个桥，从而阻止丙烷的运动(下图)。

中子被材料中的分子散射，在这个过程中改变了它们的方向和速度。散射的中子被探测到，它们的速度和方向的变化也被记录下来。这些变化分别编码了所研究材料中分子的运动和结构安排的信息。在最近的一项实验中，我们使用准弹性中子散射(QENS -一种特别适合研究扩散运动的中子散射)研究了水分对丙烷在1.5 nm宽的二氧化硅材料孔内扩散运动的影响。这些实验表明，水分的存在减缓了丙烷通过硅孔的扩散运动。为了理解这一发现的分子起源，我们利用分子动力学模拟进行了计算机实验。在这些实验中，建立了实际系统的模型，并对系统的牛顿运动方程进行了数值求解。这些计算提供了每个分子在时间上构成系统的轨迹。这些分子轨迹类似于分子电影，可以看到分子在几纳秒内的行为。计算机实验的结果证实了实验结果。 Further, it was found that the slowing down effect of moisture on propane motion becomes stronger at higher contents of moisture. At very high contents of moisture, motion as well as the structural arrangement of propane molecules inside the pores are severely affected. Further, the computer experiments show that the slowing down of propane in moist pores is due to the water molecules making bridges across the pore that block the motion of propane molecules (see illustration). Our experiments in the lab and with computers thus explain the effect moisture has on the motion of propane through silica pores. These findings have important implications for gas extraction and recovery from sub terrestrial environment.

哈斯Gautam
美国俄亥俄州立大学地球科学学院

出版

水对MCM-41-S孔隙中丙烷随机运动的影响。
Gautam S, Le TTB, Rother G, Jalarvo N, Liu T, Mamontov E, Dai S，乔泽，Striolo A, Cole D
物理化学化学物理2019年12月7日

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