表面活性剂在复杂界面及体相行为的理论研究

发布时间：2017-05-20 12:14

  本文关键词：表面活性剂在复杂界面及体相行为的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：表面活性剂是一类具有亲水基团和疏水基团的两亲性分子。表面活性剂因其自身特殊的性质,在体相和界面会自发形成有序的聚集体结构,这称之为表面活性剂的自组装行为。表面活性剂在界面自组装形成有序的吸附结构可以显著的改变界面张力、提高毛细管数以及界面的润湿性能等；表面活性剂在体相中的自组装行为能够促使其形成具有特殊功能的体系。近年来,随着人们对表面活性剂性能的深入了解,表面活性剂在工业领域的地位也越来越显著。在采油工业中,通常会在驱油液中加入表面活性剂等物质,通过改变驱油液的驱洗能力来提高采油效率。表面活性剂除了可以降低油水界面的张力以外,还能够减少岩层对油的吸附损耗,增加油在水中的溶解度,降低原油的粘度,进一步促进原油的采集。因为表面活性剂独特的两亲性质,在油藏开采中,表面活性剂主要聚集在气/液界面、液/液界面、固／液界面以及体相中。随着表面活性剂在工业生产中的应用越来越广泛,人们也渴望对表面活性剂有更深层次的了解。采用分子动力学方法从微观水平对表面活性剂的性质进行详细的阐述对于了解表面活性剂的微观行为和特殊性质有十分重要的意义。而且分子动力学模拟能够大大降低实验成本,也能够从理论层次对实际应用提出指导性建议。本文围绕表面活性剂在油藏中的几种存在方式展开一系列的理论研究工作。一方面,我们通过拉伸动力学方法对表面活性剂在气/液界面(泡沫体系)的性质进行了研究,详细探讨了泡沫的破裂机理,并从分子层面上对泡沫破裂过程中的关键因素进行了详尽细致的探索,为合理的控制泡沫体积,有效增强泡沫稳定性,降低工业成本提出了可靠的建议。另一方面,我们通过普通动力学方法研究了表面活性剂在油/水界面以及体相中的性质,对原油中的表面活性物质在体相及油水界面的行为进行了深入的探讨,从微观层次解释了表面活性剂在油/水界面的自组装行为并研究了表面活性剂自身结构对自组装行为的影响,为工业生产中合理的构建驱油体系、创建优良的驱油环境起到了良好的指导作用：而且,我们还利用荧光探针技术研究了表面活性剂胶束的内部结构,得到了荧光探针分子在胶束内的分布情况并详细探讨了荧光探针浓度对胶束性质的影响,从分子角度对实验现象进行了有利的补充,为利用荧光探针分子探查胶束的微观环境提供了可靠的依据。本文主要重点讨论表面活性剂在气／液界面、液／液界面以及体相中的分子动力学行为,主要研究内容及创新成果归纳如下：1.泡沫是一种典型的表面活性剂在气/液界面自组装的体系,合理控制泡沫体积对于工业应用有十分重要的意义。利用拉伸动力学方法研究了泡沫破裂过程,揭示了泡沫破裂过程中表面活性剂的行为以及控制泡沫稳定性的相关因素,为消除过量泡沫、控制泡沫体积以及提高泡沫稳定性提供了理论指导。(1) Bridge-stretching机理认为,当消泡颗粒进入泡沫液膜以后,会在泡沫中间形成油桥结构,在外界因素的影响下,油桥结构被拉伸,从而导致泡沫破裂。在模拟体系中,我们运用拉伸动力学方法对体系施加外力促使消泡颗粒逐渐向泡沫液膜靠近,此时,在水-液-气三相界面会形成假乳液膜结构。对于泡沫中的表面活性剂分子来说,极性头因为氢键作用与部分水分子结合,这些水分子是假乳液膜的主要组成部分。假乳液膜的稳定性对于泡沫体系有至关重要的作用。在外力作用下,表面活性剂带动周围水分子逐渐向水相移动从而使得假乳液膜消失。同时,泡沫体系中间会形成疏水的油桥结构,油桥结构也是决定泡沫稳定性的关键因素。当外界压力不平衡时,油桥受到拉伸,油桥中间逐渐变薄甚至断裂。在bridge-stretching机理中,假乳液膜的稳定性和油桥自身的性质对于泡沫体系有十分重要的影响。该模拟从分子水平对实验做出了补充,有利于充分了解泡沫的破裂机理、合理控制泡沫体积。(2)在Bridge-stretching机理的基础上,我们以工业中最常用的甜菜碱作为泡沫增强剂来研究增强剂增强泡沫稳定性的原理。通过动力学模拟可以发现,在甜菜碱存在的情况下,泡沫液膜的结构会有明显的变化。因为甜菜碱是两性离子表面活性剂,它可以中和表面活性剂极性头之间的排斥作用,而且甜菜碱分子之间可以通过静电作用互相连接,从而增强了泡沫的稳定性。我们还研究了增强剂浓度对泡沫液膜稳定性的影响。随着甜菜碱浓度的增大,泡沫液膜的稳定性越来越强,消泡剂也越来越难进入泡沫液膜中。该体系对泡沫增强剂的作用原理进行了深入细致的探讨,对实践应用有重要的指导作用,能够提出有效的指导意见,最大程度的节约生产成本。2.利用分子动力学方法研究了原油中的具有表面活性剂的物质在油／水界面的行为,并探究了极性头对表面活性物质的影响。通过对比中性表面活性剂和阴离子型表面活性剂的行为,充分了解极性头对表面活性剂的重要作用,加深对“结构影响性质”的认识。沥青质是原油的重要组成部分,也是一种具有表面活性剂的物质。但是沥青质的极性头在外界因素的影响下,很容易去质子化形成负离子极性头。因为沥青质是一类多环芳烃物质,因此在原油中极易形成聚集结构。但是当沥青质去质子化形成负离子沥青质以后,极性头之间的排斥作用使得沥青质分子的聚集变得松散。而且因为沥青质中的负离子极性头能够与水形成氢键作用,更容易聚集到油水界面上,但是中性的沥青质分子在原油中的聚集结构比较紧密且不易与水形成氢键,因此更倾向于聚集在油相中。该模拟体系对于了解原油中表面活性剂的性质,合理控制油藏开采条件,增加原油采收率有重要的理论意义。3.表面活性剂在水溶液中极易聚集形成胶束结构,利用分子动力学方法模拟了荧光芘分子在十六烷基三甲基溴化铵胶束中的增溶过程,在分子水平上直观地研究芘分子在胶束中的增溶位点,可以为实验提供有力的补充。而且还研究了芘分子浓度对于胶柬的影响,研究发现,当胶束中存在两个芘分子时,它们虽然能够形成π-π堆积结构,但是大多数时间,两个芘分子处于彼此分离状态。通过模拟,还可以发现荧光芘分子的浓度对于它们的增溶位点有很大的影响。单个芘分子会增溶在胶束的栅栏层以及胶束内核区域,随着芘分子的浓度的增大,芘分子会逐渐向胶束表面移动并且增溶在胶束的栅栏区。这些研究提供了实验上难以获取的微观信息,为更好地了解及利用荧光探针分子探查两亲分子的有序结构提供了一定的帮助。
【关键词】：表面活性剂 两亲分子自组装 沥青质 荧光探针分子 分子动力学模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O647.2
【目录】：

• 中文摘要10-13
• ABSTRACT13-17
• 第一章 绪论17-49
• 1.1 表面活性剂应用简介17-19
• 1.2 表面活性剂在气/液界面研究概述19-26
• 1.2.1 实验方法研究气/液界面研究进展19-21
• 1.2.2 分子动力学方法研究气/液界面现状21-23
• 1.2.3 典型气/液界面-泡沫体系简介23-26
• 1.3 表面活性剂在液腋界面研究概述26-30
• 1.3.1 液/液界面稳定性影响因素26-28
• 1.3.2 表面活性剂液/液界面分子动力学研究现状28-29
• 1.3.3 沥青质分子液/液界面行为简介29-30
• 1.4 表面活性剂在体相中的基本性质30-33
• 1.4.1 荧光探针技术简介及应用30-31
• 1.4.2 荧光探针技术研究现状31-33
• 1.5 分子动力学基础和计算方法33-37
• 1.5.1 非平衡动力学方法34-35
• 1.5.2 计算软件简介35
• 1.5.3 分子动力学力场35-36
• 1.5.4 分子动力学模拟系综简介36-37
• 1.6 本论文的研究内容及意义37-38
• 参考文献38-49
• 第二章 泡沫破裂机理的分子动力学研究49-65
• 2.1 前言49-51
• 2.2 模拟部分51-53
• 2.2.1 构建泡沫液膜51-52
• 2.2.2 模拟细节52-53
• 2.3 结果讨论53-61
• 2.3.1 泡沫的结构(体系Ⅰ)53-56
• 2.3.2 从假乳液膜到油桥形成(体系Ⅱ和体系Ⅲ)56-59
• 2.3.3 从油桥结构到泡沫破裂59-61
• 2.4 结论61-62
• 参考文献62-65
• 第三章 甜菜碱增强泡沫稳定性的机理的分子动力学研究65-81
• 3.1 前言65-66
• 3.2 计算模拟细节66-69
• 3.2.1 模拟体系66-68
• 3.2.2 模拟方法68-69
• 3.3 结果与讨论69-76
• 3.3.1 泡沫体系的基本结构69-73
• 3.3.2 油桥结构的形成73-75
• 3.3.3 甜菜碱增强泡沫稳定性的原因75-76
• 3.4 结论76-77
• 参考文献77-81
• 第四章 沥青质分子在原油及油水界面的分子动力学模拟81-100
• 4.1 前言81-82
• 4.2 分子模拟82-84
• 4.2.1 分子模型82-83
• 4.2.2 初始构型83-84
• 4.2.3 模拟细节84
• 4.3 结果与讨论84-94
• 4.3.1 沥青质分子在原油中的性质84-87
• 4.3.2 沥青质分子在油水界面的性质87-94
• 4.4 结论94-95
• 参考文献95-100
• 第五章 荧光探针分子在十六烷基三甲基溴化铵胶束中行为分子动力学研究100-117
• 5.1 前言100-102
• 5.2 模拟细节102-104
• 5.2.1 模拟体系102-103
• 5.2.2 模拟细节103-104
• 5.3 结果讨论104-112
• 5.3.1 CTAB胶束的性质104-106
• 5.3.2 芘分子在胶束中的增溶行为106-109
• 5.3.3 芘分子浓度对CTAB胶束的影响109-112
• 5.4 结论112-113
• 参考文献113-117
• 第六章 本论文创新点及不足117-119
• 攻读博士期间发表论文119-120
• 致谢120-121
• 附件121-137

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：381585