强化采油用表面活性剂在固/液界面吸附行为的研究

论文摘要

本文系统研究了阴离子型表面活性剂SDBS（十二烷基苯磺酸钠）、非离子型表面活性剂TX-100（辛基酚基聚氧乙烯醚）和阳离子表面活性剂CTAB在石英表面的吸附规律,考察了在较大的表面活性剂浓度范围内,多价无机阳离子对不同类型表面活性剂吸附规律的影响。运用QCM（石英晶体微天平）、MD（分子动力学模拟）、FAAS（原子吸收光谱法）、AFM（原子力显微镜）等手段分析了其吸附机制及作用原理。（1）利用石英晶体微天平QCM研究阴离子表面活性剂SDBS在模拟矿化水条件下在石英表面的吸附行为,并用原子吸收光谱法验证了矿化水条件下SDBS的吸附机制。实验结果表明:①在纯水介质中阴离子表面活性剂SDBS在固体表面因晶格缺陷或氢键缺损产生的正电位以电性作用发生吸附是主要的吸附机制。②在矿化水中,金属阳离子在固体表面吸附作为“结构离子”促进了胶团排斥作用,胶团排斥作用是表面活性剂随浓度增大解吸附的主要原因。③Na+与表面的相互作用强于阴离子表面活性剂,在阴离子表面活性剂存在时可成为结构离子。（2）采用石英晶体微天平法研究了TX-100在石英表面的吸附动力学和热力学特性,并用分子动力学模拟以及原子吸收光谱法验证了所得结果。同时考察了多种因素（多价无机阳离子、电解质类型和pH值的变化）对吸附的影响。实验结果表明:①在矿化水介质中TX-100在石英表面的吸附量较大,在表面活性剂浓度到达一定程度后出现脱附现象;②采用分子动力学模拟和原子吸收光谱法验证了脱附现象的发生;③Ca2+、Mg2+与相同浓度Na+比较,更能促进TX-100的吸附。采用AFM（原子力显微镜）验证了当TX-100溶液中含有多价无机阳离子时,所形成的吸附层是一个非常松散的结构,附着力不是很强,因此多价无机阳离子在固体表面吸附是导致表面活性剂与固体之间的氢键相互作用减弱,使表面活性剂在较高浓度后发生脱附现象。（3）采用石英晶体微天平（QCM）法和分子模拟技术研究了阳表面活性剂CTAB在石英表面的吸附等温线,并考察矿化度、pH等条件对吸附等温线的影响,分析吸附机制。研究表明:多价无机阳离子存在时,CTAB在石英表面的吸附量减小。（4）运用QCM法研究了不同类型表面活性剂在地层水测量介质中的吸附动力学,并与非地层水情况作了对比,同时对吸附动力学参数进行了估算,与实验值有着很好的对应。实验结果表明,电解质对于不同类型表面活性剂吸附速率的大小具有一定的影响,在地层水的情况下会使得阴离子表面活性剂比阳离子表面活性剂反而更易在石英砂上发生吸附。本论文主要创新点:（1）在矿化水介质中,金属阳离子在固体表面吸附作为“结构离子”促进了胶团排斥作用,胶团排斥作用是阴离子表面活性剂随浓度增大解吸附的主要原因。且Na+与表面的相互作用强于阴离子表面活性剂,在阴离子表面活性剂存在时可成为结构离子。（2）利用分子动力学模拟以及原子吸收光谱法验证了在较大浓度时TX-100在石英表面脱附现象的发生,进一步分析其脱附机制。（3）多价无机阳离子存在时,由于金属阳离子在固体表面吸附,从而使CTAB在石英表面的吸附量较小。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 表面活性剂结构特征及其溶液的物理化学特性
• 1.1.1 表面活性剂结构特点与性能
• 1.1.2 表面活性剂溶液的物理化学特性
• 1.2 表面活性剂在提高石油采收率中的应用
• 1.3 表面活性剂提高采收率的作用原理
• 1.4 界面吸附现象
• 1.5 压电传感器及其研究进展
• 1.5.1 压电传感器理论研究现状
• 1.5.2 电化学石英晶体微天平（EQCM）
• 1.5.3 气相压电石英晶体传感器
• 1.5.4 液相压电石英晶体传感器
• 1.5.5 QCM在医学诊断中的应用
• 1.5.6 QCM在环境监测中的应用
• 1.5.7 QCM在食品卫生检验领域的应用
• 1.5.8 QCM在生物化学中的应用
• 1.6 分子动力学模拟理论基础及研究现状
• 1.6.1 分子模拟方法
• 1.6.2 经典分子动力学
• 1.6.3 分子动力学模拟理论（Molecular Dynamics）
• 1.6.4 分子动力学模拟的初始条件和边界条件
• 1.6.5 分子动力学模拟的系综
• 1.6.6 分子动力学模拟在界面自组装中的应用
• 1.7 本论文的主要研究内容
• 第二章 阴离子表面活性剂在石英表面的吸附
• 2.1 前言
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.1.3 ESPS测量方法
• 2.1.4 吸附量的计算方法
• 2.2 石英晶体微天平（QCM）法研究SDBS在石英表面的吸附
• 2.2.1 二价金属离子对SDBS溶解度的影响
• 2.2.2 不同水介质环境下SDBS的吸附等温线
• 2.2.3 模拟地层水矿化度对对SDBS在石英表面吸附等温线的影响
• 2.2.4 矿化水条件下SDBS的吸附机制验证
• 2.2.4.1 原子吸收光谱法检测无机阳离子在石英表面的吸附
• 2.2.4.2 表面活性剂体相缔合与界面吸附行为的关联
• 2.2.5 pH值对矿化水中SDBS在石英表面吸附等温线的影响
• 2.3 结论
• 第三章 非离子表面活性剂在石英表面的吸附
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 石英晶体微天平法研究矿化水中TX—100在石英晶体表面的吸附
• 3.2.3.1 矿化水中TX—100在石英晶体表面的吸附等温线
• 3.2.3.2 TX-100在石英表面的吸附动力学
• 3.2.4 原子吸收谱法测定无机阳离子在石英表面的吸附
• 3.2.5 pH值的影响
• 3.3 分子模拟方法研究表面活性剂在固/液界面吸附机制
• 3.3.1 模型建立和模拟方法
• 3.3.2 同一浓度条件下的表面活性剂在石英表面的吸附过程的动力学模拟
• 3.3.3 不同浓度的表面活性剂在石英表面的吸附动力学模拟
• 3.3.4 相同浓度的表面活性剂在石英表面和高岭石表面的吸附动力学模拟
• 3.3.5 纯水及模拟矿化水中TX-100在石英表面的吸附
• 3.3.6 无机阳离子在石英表面的吸附及TX-100在体相的扩散
• 3.3.7 原子力显微镜法研究多价无机阳离子对TX-100在云母表面吸附的影响
• 3.3.8 无机阳离子在高岭土表面的吸附及对TX-100吸附的影响
• 2+、Mg²⁺、Na⁺离子在三种固体表面的吸附'>3.4 原子吸收法验证Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺离子在三种固体表面的吸附
• 3.5 本章小结
• 第四章 阳离子表面活性剂在固/液界面吸附规律研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 石英晶体微天平（QCM）研究阳离子型表面活性剂CTAB和CPC（氯代十六烷基吡啶）在石英表面的吸附等温线
• 4.2.4 pH值对CTAB的吸附等温线的影响
• 4.3 多界面共存时表面活性剂的界面富集行为及规律
• 4.3.1 分子动力学模拟研究表面活性剂CTAB在油-水-固中的吸附行为
• 4.3.1.1 阳离子表面活性剂CTAB在石英表面的吸附行为
• 4.3.1.2 阳离子表面活性剂CTAB在油-水-石英中的吸附行为
• 4.3.1.3 阳离子表面活性剂CTAB在油-水-滑石中的吸附行为
• 4.3.1.4 阳离子表面活性剂CTAB在油-水-高岭石中吸附行为
• 4.4 本章小结
• 第五章 QCM法研究表面活性剂在石英/水界面的吸附动力学
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 纯水中三种表面活性剂的吸附动力学曲线
• 5.3.2 矿化水中三种表面活性剂的吸附动力学曲线
• 5.3.3 吸附动力学参数的估算
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表