Simulación molecular de la elución de asfaltenos depositados en sílice

Abstract

Este trabajo de investigación tiene como objetivo generar un modelo de adsorción y elución de asfaltenos en superficies de sílice utilizando simulación en dinámica molecular. Para el estudio de adsorción, se generaron superficies de óxido de silicio, SiO2, con grupos superficiales siloxano y grupos silanol de tipo vecinal y geminal. Se calculó la energía de adsorción de una serie de moléculas modelo, propuestas para representar asfaltenos provenientes de un crudo extra pesado colombiano. Esta energía de adsorción se calculó para monómeros y agregados de diferentes tamaños. El estudio de elución se realizó mediante la adsorción previa de trímeros de moléculas modelo de asfalteno sobre una superficie de sílice con grupos silanol vecinales y el cálculo de la movilidad, del desplazamiento de los centros de masa y la energía de interacción de los asfaltenos y la superficie fue realizada en presencia de tolueno y diclorometano. Los resultados muestran que la adsorción de asfaltenos se da en superficies de sílice con grupos superficiales del tipo silanol. En general los grupos siloxano debido a su configuración electrónica no presentan adsorción de asfaltenos. En la superficie con grupos silanol del tipo geminal, el aporte de las interacciones electrostáticas a la energía total de adsorción, resultó siempre mayor que el aporte de las interacciones del tipo Van der Waals. Sobre la superficie con silanoles vecinales, el aporte de las contribuciones electrostáticas a la energía total de adsorción aumenta a medida que aumenta el tamaño de los agregados debido al rompimiento de puentes de hidrógeno entre los grupos vecinales de la superficie. La presencia de más de un heteroátomo en la estructura de los asfaltenos incrementa la energía de adsorción total. Sin embargo, esta diferencia energética se da principalmente por el aporte de las fuerzas electrostáticas. Finalmente, se puede concluir que en diclorometano los agregados de asfalteno estudiados presentan mayor movilidad que en tolueno pero con poca variación en la estructura interna del agregado.

Abstract: This research has as objective to derivate an adsorption and elution model for asphaltenes on silica surfaces using molecular dynamics simulations. For the adsorption study, silicon oxide surfaces, SiO2, with surface siloxane groups and vicinal and geminal silanol groups were generated. Adsorption energy for the modeled molecules proposed to represent asphaltenes from a Colombian extra heavy crude oil, was calculated. This adsorption energy was calculated for monomers and aggregates of different sizes The elution study was carried out by the preliminary adsorption of trimers of asphaltene modeled molecules on a silica surface with vicinal silanol groups. Also, the calculation of the mobility, the displacement of the mass centers and the interaction energy of the asphaltenes and the surface was made in the presence of toluene and dichloromethane. The results show that asphaltene adsorption is given on silica surfaces with functional groups of silanol type. In general, the siloxane groups don’s present adsorption on asfaltenos due to their electronic configuration. On the surface with silanol group of germinal type, the contribution of the electrostatic interactions to the total adsorption, always resulted higher for the interactions of the Van der Waals type. On the surface with neighboring silanols, the contribution of the electrostatic contributions to the total adsorption energy increases as the size of the aggregates increases by the breaking of hydrogen bonds between the neighboring groups of the surface. The presence of more than one heteroatom in the structure of asphaltenes increases the total adsorption energy. However, this energy difference is mainly due to the ontribution of the electrostatic forces. Finally, it can be concluded that in dichloromethane the aggregates of asphaltene studied have higher mobility than in toluene but with little variation in the internal structure of the aggregate.