發(fā)布時(shí)間：2017-05-20 12:14

  本文關(guān)鍵詞：表面活性劑在復(fù)雜界面及體相行為的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：表面活性劑是一類具有親水基團(tuán)和疏水基團(tuán)的兩親性分子。表面活性劑因其自身特殊的性質(zhì),在體相和界面會(huì)自發(fā)形成有序的聚集體結(jié)構(gòu),這稱之為表面活性劑的自組裝行為。表面活性劑在界面自組裝形成有序的吸附結(jié)構(gòu)可以顯著的改變界面張力、提高毛細(xì)管數(shù)以及界面的潤(rùn)濕性能等；表面活性劑在體相中的自組裝行為能夠促使其形成具有特殊功能的體系。近年來,隨著人們對(duì)表面活性劑性能的深入了解,表面活性劑在工業(yè)領(lǐng)域的地位也越來越顯著。在采油工業(yè)中,通常會(huì)在驅(qū)油液中加入表面活性劑等物質(zhì),通過改變驅(qū)油液的驅(qū)洗能力來提高采油效率。表面活性劑除了可以降低油水界面的張力以外,還能夠減少巖層對(duì)油的吸附損耗,增加油在水中的溶解度,降低原油的粘度,進(jìn)一步促進(jìn)原油的采集。因?yàn)楸砻婊钚詣┆?dú)特的兩親性質(zhì),在油藏開采中,表面活性劑主要聚集在氣/液界面、液/液界面、固／液界面以及體相中。隨著表面活性劑在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛,人們也渴望對(duì)表面活性劑有更深層次的了解。采用分子動(dòng)力學(xué)方法從微觀水平對(duì)表面活性劑的性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的闡述對(duì)于了解表面活性劑的微觀行為和特殊性質(zhì)有十分重要的意義。而且分子動(dòng)力學(xué)模擬能夠大大降低實(shí)驗(yàn)成本,也能夠從理論層次對(duì)實(shí)際應(yīng)用提出指導(dǎo)性建議。本文圍繞表面活性劑在油藏中的幾種存在方式展開一系列的理論研究工作。一方面,我們通過拉伸動(dòng)力學(xué)方法對(duì)表面活性劑在氣/液界面(泡沫體系)的性質(zhì)進(jìn)行了研究,詳細(xì)探討了泡沫的破裂機(jī)理,并從分子層面上對(duì)泡沫破裂過程中的關(guān)鍵因素進(jìn)行了詳盡細(xì)致的探索,為合理的控制泡沫體積,有效增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性,降低工業(yè)成本提出了可靠的建議。另一方面,我們通過普通動(dòng)力學(xué)方法研究了表面活性劑在油/水界面以及體相中的性質(zhì),對(duì)原油中的表面活性物質(zhì)在體相及油水界面的行為進(jìn)行了深入的探討,從微觀層次解釋了表面活性劑在油/水界面的自組裝行為并研究了表面活性劑自身結(jié)構(gòu)對(duì)自組裝行為的影響,為工業(yè)生產(chǎn)中合理的構(gòu)建驅(qū)油體系、創(chuàng)建優(yōu)良的驅(qū)油環(huán)境起到了良好的指導(dǎo)作用：而且,我們還利用熒光探針技術(shù)研究了表面活性劑膠束的內(nèi)部結(jié)構(gòu),得到了熒光探針分子在膠束內(nèi)的分布情況并詳細(xì)探討了熒光探針濃度對(duì)膠束性質(zhì)的影響,從分子角度對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了有利的補(bǔ)充,為利用熒光探針分子探查膠束的微觀環(huán)境提供了可靠的依據(jù)。本文主要重點(diǎn)討論表面活性劑在氣／液界面、液／液界面以及體相中的分子動(dòng)力學(xué)行為,主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新成果歸納如下：1.泡沫是一種典型的表面活性劑在氣/液界面自組裝的體系,合理控制泡沫體積對(duì)于工業(yè)應(yīng)用有十分重要的意義。利用拉伸動(dòng)力學(xué)方法研究了泡沫破裂過程,揭示了泡沫破裂過程中表面活性劑的行為以及控制泡沫穩(wěn)定性的相關(guān)因素,為消除過量泡沫、控制泡沫體積以及提高泡沫穩(wěn)定性提供了理論指導(dǎo)。(1) Bridge-stretching機(jī)理認(rèn)為,當(dāng)消泡顆粒進(jìn)入泡沫液膜以后,會(huì)在泡沫中間形成油橋結(jié)構(gòu),在外界因素的影響下,油橋結(jié)構(gòu)被拉伸,從而導(dǎo)致泡沫破裂。在模擬體系中,我們運(yùn)用拉伸動(dòng)力學(xué)方法對(duì)體系施加外力促使消泡顆粒逐漸向泡沫液膜靠近,此時(shí),在水-液-氣三相界面會(huì)形成假乳液膜結(jié)構(gòu)。對(duì)于泡沫中的表面活性劑分子來說,極性頭因?yàn)闅滏I作用與部分水分子結(jié)合,這些水分子是假乳液膜的主要組成部分。假乳液膜的穩(wěn)定性對(duì)于泡沫體系有至關(guān)重要的作用。在外力作用下,表面活性劑帶動(dòng)周圍水分子逐漸向水相移動(dòng)從而使得假乳液膜消失。同時(shí),泡沫體系中間會(huì)形成疏水的油橋結(jié)構(gòu),油橋結(jié)構(gòu)也是決定泡沫穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。當(dāng)外界壓力不平衡時(shí),油橋受到拉伸,油橋中間逐漸變薄甚至斷裂。在bridge-stretching機(jī)理中,假乳液膜的穩(wěn)定性和油橋自身的性質(zhì)對(duì)于泡沫體系有十分重要的影響。該模擬從分子水平對(duì)實(shí)驗(yàn)做出了補(bǔ)充,有利于充分了解泡沫的破裂機(jī)理、合理控制泡沫體積。(2)在Bridge-stretching機(jī)理的基礎(chǔ)上,我們以工業(yè)中最常用的甜菜堿作為泡沫增強(qiáng)劑來研究增強(qiáng)劑增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的原理。通過動(dòng)力學(xué)模擬可以發(fā)現(xiàn),在甜菜堿存在的情況下,泡沫液膜的結(jié)構(gòu)會(huì)有明顯的變化。因?yàn)樘鸩藟A是兩性離子表面活性劑,它可以中和表面活性劑極性頭之間的排斥作用,而且甜菜堿分子之間可以通過靜電作用互相連接,從而增強(qiáng)了泡沫的穩(wěn)定性。我們還研究了增強(qiáng)劑濃度對(duì)泡沫液膜穩(wěn)定性的影響。隨著甜菜堿濃度的增大,泡沫液膜的穩(wěn)定性越來越強(qiáng),消泡劑也越來越難進(jìn)入泡沫液膜中。該體系對(duì)泡沫增強(qiáng)劑的作用原理進(jìn)行了深入細(xì)致的探討,對(duì)實(shí)踐應(yīng)用有重要的指導(dǎo)作用,能夠提出有效的指導(dǎo)意見,最大程度的節(jié)約生產(chǎn)成本。2.利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了原油中的具有表面活性劑的物質(zhì)在油／水界面的行為,并探究了極性頭對(duì)表面活性物質(zhì)的影響。通過對(duì)比中性表面活性劑和陰離子型表面活性劑的行為,充分了解極性頭對(duì)表面活性劑的重要作用,加深對(duì)“結(jié)構(gòu)影響性質(zhì)”的認(rèn)識(shí)。瀝青質(zhì)是原油的重要組成部分,也是一種具有表面活性劑的物質(zhì)。但是瀝青質(zhì)的極性頭在外界因素的影響下,很容易去質(zhì)子化形成負(fù)離子極性頭。因?yàn)闉r青質(zhì)是一類多環(huán)芳烴物質(zhì),因此在原油中極易形成聚集結(jié)構(gòu)。但是當(dāng)瀝青質(zhì)去質(zhì)子化形成負(fù)離子瀝青質(zhì)以后,極性頭之間的排斥作用使得瀝青質(zhì)分子的聚集變得松散。而且因?yàn)闉r青質(zhì)中的負(fù)離子極性頭能夠與水形成氫鍵作用,更容易聚集到油水界面上,但是中性的瀝青質(zhì)分子在原油中的聚集結(jié)構(gòu)比較緊密且不易與水形成氫鍵,因此更傾向于聚集在油相中。該模擬體系對(duì)于了解原油中表面活性劑的性質(zhì),合理控制油藏開采條件,增加原油采收率有重要的理論意義。3.表面活性劑在水溶液中極易聚集形成膠束結(jié)構(gòu),利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了熒光芘分子在十六烷基三甲基溴化銨膠束中的增溶過程,在分子水平上直觀地研究芘分子在膠束中的增溶位點(diǎn),可以為實(shí)驗(yàn)提供有力的補(bǔ)充。而且還研究了芘分子濃度對(duì)于膠柬的影響,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)膠束中存在兩個(gè)芘分子時(shí),它們雖然能夠形成π-π堆積結(jié)構(gòu),但是大多數(shù)時(shí)間,兩個(gè)芘分子處于彼此分離狀態(tài)。通過模擬,還可以發(fā)現(xiàn)熒光芘分子的濃度對(duì)于它們的增溶位點(diǎn)有很大的影響。單個(gè)芘分子會(huì)增溶在膠束的柵欄層以及膠束內(nèi)核區(qū)域,隨著芘分子的濃度的增大,芘分子會(huì)逐漸向膠束表面移動(dòng)并且增溶在膠束的柵欄區(qū)。這些研究提供了實(shí)驗(yàn)上難以獲取的微觀信息,為更好地了解及利用熒光探針分子探查兩親分子的有序結(jié)構(gòu)提供了一定的幫助。
【關(guān)鍵詞】：表面活性劑 兩親分子自組裝 瀝青質(zhì) 熒光探針分子 分子動(dòng)力學(xué)模擬
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O647.2
【目錄】：

• 中文摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第一章 緒論17-49
• 1.1 表面活性劑應(yīng)用簡(jiǎn)介17-19
• 1.2 表面活性劑在氣/液界面研究概述19-26
• 1.2.1 實(shí)驗(yàn)方法研究氣/液界面研究進(jìn)展19-21
• 1.2.2 分子動(dòng)力學(xué)方法研究氣/液界面現(xiàn)狀21-23
• 1.2.3 典型氣/液界面-泡沫體系簡(jiǎn)介23-26
• 1.3 表面活性劑在液腋界面研究概述26-30
• 1.3.1 液/液界面穩(wěn)定性影響因素26-28
• 1.3.2 表面活性劑液/液界面分子動(dòng)力學(xué)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3.3 瀝青質(zhì)分子液/液界面行為簡(jiǎn)介29-30
• 1.4 表面活性劑在體相中的基本性質(zhì)30-33
• 1.4.1 熒光探針技術(shù)簡(jiǎn)介及應(yīng)用30-31
• 1.4.2 熒光探針技術(shù)研究現(xiàn)狀31-33
• 1.5 分子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算方法33-37
• 1.5.1 非平衡動(dòng)力學(xué)方法34-35
• 1.5.2 計(jì)算軟件簡(jiǎn)介35
• 1.5.3 分子動(dòng)力學(xué)力場(chǎng)35-36
• 1.5.4 分子動(dòng)力學(xué)模擬系綜簡(jiǎn)介36-37
• 1.6 本論文的研究?jī)?nèi)容及意義37-38
• 參考文獻(xiàn)38-49
• 第二章 泡沫破裂機(jī)理的分子動(dòng)力學(xué)研究49-65
• 2.1 前言49-51
• 2.2 模擬部分51-53
• 2.2.1 構(gòu)建泡沫液膜51-52
• 2.2.2 模擬細(xì)節(jié)52-53
• 2.3 結(jié)果討論53-61
• 2.3.1 泡沫的結(jié)構(gòu)(體系Ⅰ)53-56
• 2.3.2 從假乳液膜到油橋形成(體系Ⅱ和體系Ⅲ)56-59
• 2.3.3 從油橋結(jié)構(gòu)到泡沫破裂59-61
• 2.4 結(jié)論61-62
• 參考文獻(xiàn)62-65
• 第三章 甜菜堿增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的機(jī)理的分子動(dòng)力學(xué)研究65-81
• 3.1 前言65-66
• 3.2 計(jì)算模擬細(xì)節(jié)66-69
• 3.2.1 模擬體系66-68
• 3.2.2 模擬方法68-69
• 3.3 結(jié)果與討論69-76
• 3.3.1 泡沫體系的基本結(jié)構(gòu)69-73
• 3.3.2 油橋結(jié)構(gòu)的形成73-75
• 3.3.3 甜菜堿增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的原因75-76
• 3.4 結(jié)論76-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 第四章 瀝青質(zhì)分子在原油及油水界面的分子動(dòng)力學(xué)模擬81-100
• 4.1 前言81-82
• 4.2 分子模擬82-84
• 4.2.1 分子模型82-83
• 4.2.2 初始構(gòu)型83-84
• 4.2.3 模擬細(xì)節(jié)84
• 4.3 結(jié)果與討論84-94
• 4.3.1 瀝青質(zhì)分子在原油中的性質(zhì)84-87
• 4.3.2 瀝青質(zhì)分子在油水界面的性質(zhì)87-94
• 4.4 結(jié)論94-95
• 參考文獻(xiàn)95-100
• 第五章 熒光探針分子在十六烷基三甲基溴化銨膠束中行為分子動(dòng)力學(xué)研究100-117
• 5.1 前言100-102
• 5.2 模擬細(xì)節(jié)102-104
• 5.2.1 模擬體系102-103
• 5.2.2 模擬細(xì)節(jié)103-104
• 5.3 結(jié)果討論104-112
• 5.3.1 CTAB膠束的性質(zhì)104-106
• 5.3.2 芘分子在膠束中的增溶行為106-109
• 5.3.3 芘分子濃度對(duì)CTAB膠束的影響109-112
• 5.4 結(jié)論112-113
• 參考文獻(xiàn)113-117
• 第六章 本論文創(chuàng)新點(diǎn)及不足117-119
• 攻讀博士期間發(fā)表論文119-120
• 致謝120-121
• 附件121-137

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：表面活性劑在復(fù)雜界面及體相行為的理論研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：381585