[论文解读] Investigation of Six Imidazolium-Based Ionic Liquids as Thermo-Kinetic Inhibitors for Methane Hydrate by Molecular Dynamics Simulation

Mohammad Ebrahim Haji Nasrollahebrahim, Bagher Abareshi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Methane Hydrates and Related PhenomenaEnvironmental Science参考文献 25被引用 18

一句话总结

本研究通过经典分子动力学模拟，调查了六种基于咪唑啉的离子液体（ILs）作为甲烷水合物成核的热力学-动力学抑制剂的性能。[C2OHmim][f2N] 和 [C3(OH)2mim][f2N] 表现出优异的抑制性能，原因在于其与水分子之间形成强氢键、向水合物表面扩散能力强，且能有效阻碍水分子和客体分子的吸附，优于传统抑制剂如甲醇和NaCl。

ABSTRACT

The thermo-kinetic inhibition mechanism of six imidazolium-based ionic liquids (ILs) on methane clathrate hydrate formation and growth is studied in this work using classical molecular dynamics (MD) simulation. The ionic liquids investigated include 1-(2,3-dihydroxypropyl)-3-methylimidazoliumbis(fluorosulfonyl)imide ([C3(OH)2mim][f2N]), 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide ([C2OHmim][f2N]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C2mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C4mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([C4mim][OAc]) and 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate ([C2mim][EtSO4]). Simulations showed that [C2OHmim][f2N] and [C3(OH)2mim][f2N] are strongly hydrated compared to other ILs because of hydrogen bonding between OH groups of the cation and water molecules. They also exhibit high diffusion rates towards crystal surface and bond to it through strong intermolecular interactions. As a result, these two ILs are stronger thermo-kinetic inhibitors for formation and growth of methane hydrates compared to other ILs studied in this work as well as conventional inhibitors like methanol and NaCl. The simulations also revealed that cations of [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] show that the presence of ions near the hydrate crystal causes hindrance for water and guest molecules adsorbing on the hydrate surface, which inhibits the growth of hydrate crystals. In addition, it is shown that [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] are more likely to inhibit hydrate formation.

研究动机与目标

• 评估六种基于咪唑啉的离子液体在甲烷笼形水合物成核与生长过程中的热力学-动力学抑制性能。
• 理解这些ILs在分子水平上抑制水合物成核与晶体生长的机制。
• 将ILs的抑制效率与传统抑制剂（如甲醇和NaCl）进行比较。
• 识别能够增强ILs水合物抑制性能的结构特征。

提出的方法

• 采用经典分子动力学（MD）模拟，研究六种离子液体与甲烷存在下水分子之间的相互作用。
• 模拟追踪IL离子向水合物表面的扩散行为，并分析其吸附特性。
• 量化IL阳离子上羟基与水分子之间的氢键相互作用，以评估水化强度。
• 监测水分子和甲烷客体分子在水合物表面的吸附程度，以评估生长抑制效果。
• 利用离子分布和径向分布函数分析离子在水合物界面附近的空间排列。
• 将结果与甲醇和NaCl等传统抑制剂进行对比，评估相对性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 这六种基于咪唑啉的离子液体在分子水平上如何影响甲烷水合物的成核与生长动力学？
• RQ2 阳离子侧链上的羟基在增强水化作用和抑制效率方面发挥何种作用？
• RQ3 IL离子向水合物表面的扩散速率与其抑制性能之间存在何种相关性？
• RQ4 这些IL在多大程度上阻碍了水分子和甲烷分子在水合物表面的吸附？
• RQ5 这些IL的抑制效果与甲醇和NaCl相比，在定量上如何？

主要发现

• [C2OHmim][f2N] 和 [C3(OH)2mim][f2N] 由于其羟基与水分子之间形成强氢键，表现出显著更强的水化作用。
• 这两种IL在所有研究的离子液体中向水合物晶体表面扩散速率最高。
• [C2OHmim][f2N] 和 [C3(OH)2mim][f2N] 的阳离子与水合物表面形成强分子间相互作用，有效阻断水分子和客体分子的吸附。
• 这些IL在水合物表面附近的存在造成了空间位阻和能量势垒，降低了水合物晶体的生长速率。
• 这两种IL在抑制水合物形成方面比传统抑制剂（如甲醇和NaCl）更有效。
• 模拟结果表明，羟基功能化的咪唑啉阳离子是实现优异热力学-动力学抑制性能的关键结构特征。