1. 案例背景
沥青质沉积会形成堵塞，从而导致岩石地层物理性质的变化，影响最终回收率。采用热回收方法可以减轻沥青质沉淀的不利影响。本案例构建了真实存在的沥青质结构模型，评估热回收过程中的密度、粘度、界面张力、力学稳定性等特性，模拟不同温度下的热回收效果，为热回收工艺提供了原子尺度的见解。
2. 建模与计算方法
使用MedeA Amorphous Materials Builder模块构建了不同组成的沥青质结构无定形模型（图1）后，借助MedeA LAMMPS模块在PCFF+力场下退火后得到平衡结构，并得到不同温度下的平衡密度。
图1. 不同组成的沥青质分子结构以及对应的无定形结构模型。
随后借助不同的性质预测模块研究不同结构、不同温度下的沥青质物理性质：使用MedeA Viscosity模块获得粘度、使用MedeA GIBBS模块获得逸度、使用MedeA Surface Tension模块获得表面张力、使用MedeA Deformation模块获得应力-应变曲线。最后，借助MedeA LAMMPS模块模拟了沥青质-水界面在热回收过程中的变化。
3. 结果与讨论
3.1 沥青质和沥青质-水界面的物理性质计算
使用MedeA LAMMPS模块和不同的性质预测模块可以研究沥青质和沥青质-水界面的物理性质，探究适合热回收的温度。因此，本案例计算了关联体系中分子聚集程度的密度、评估流动性的关键参数粘度、量化水和沥青质相互作用的界面张力、体现了水分子穿越水相来到界面能力的逸度，得出以下结论：三种沥青质的密度、粘度、界面张力都随着温度上升而降低，水分子逸度随温度上升而增加，说明升高温度有利于破坏沥青结构，容纳更多水分子，因此更易实现热回收（图2、表1）。
图2. 沥青质的密度、粘度，沥青质-水界面的界面张力，沥青质容纳水分子数量随温度的变化。
表1. 水分子逸度随温度的变化
3.2 沥青质的应力-应变曲线
使用MedeA Deformation模块得到的应力-应变曲线能够评估三种沥青质的机械稳定性。在300K下，沥青质具有类固体特性，弹性形变区域外发生软化。3号沥青质相比另外两种结构具有更高的屈服强度，这是由于硫原子掺杂；加热到450K后，三种沥青质都没有明显的弹性区域，相比300K韧性降低（图3）。这说明450K下，沥青质的机械稳定性被破坏。
图3. 从左到右依次为1号、2号、3号沥青质在300K和450K下的应力-应变曲线。
3.3 热回收过程模拟
为了进一步模拟热回收过程，构建沥青质、水、方解石基质堆叠的初始结构模型，借助MedeA LAMMPS模块在不同温度下进行分子动力学模拟。可以看出，在450K下，体系发生剧烈的结构变化，沥青质被水破坏；而300K下体系保持稳定。因此，450K是合适的热回收温度。
图4. 热回收过程模拟的结构快照。
4. 总结与展望
作者借助分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟，评估了沥青质本身以及沥青质-水界面的物理性质，并模拟了沥青质热回收的过程，发现升高温度有利于破坏沥青质结构，并确认了合理的热回收温度为450K。以上结论有利于优化沥青质的热回收过程，缓解沥青质沉降造成的堵塞，提高回收率。
参考文献：
https://www.mdpi.com/2075-163X/12/10/1315
使用MedeA模块：
MedeA Environment
MedeA Amorphous Materials Builder
MedeA LAMMPS
MedeA GIBBS
MedeA Viscosity
MedeA Surface Tension
MedeA Deformation
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