改性SiO2纳米颗粒 表面活性剂对水基泡沫稳定性的增强机理研究.docx

1、改性SiO2纳米颗粒/表面活性剂对水基泡沫稳定性的增强机理研究摘 要本文通过测定泡沫的半衰期考察了SDS、CTAB和C12E5三种表面活性剂的浓度和种类对泡沫稳定性的影响，并测得其不同浓度下的表面张力。研究结果表明随着表面活性剂浓度的增大，泡沫稳定性先增大后趋于稳定，并得出三种表面活性剂的稳泡能力大小顺序，找到了三种表面活性剂的临界胶束浓度。此外本文对纳米SiO2进行适当的修饰，研究了改性SiO2纳米颗粒对水基泡沫稳定性影响的规律和机理，结果表明在不同浓度表面活性剂情况下SiO2纳米颗粒对泡沫稳定性的影响规律不同，并确定了表面活性剂和SiO2纳米颗粒复配的最佳浓度，同时采用分子动力学模拟方法对

2、不同浓度SiO2下泡沫稳定性变化机理进行了研究，为SiO2纳米颗粒/表面活性剂稳定泡沫提供一定的理论指导。关键词：泡沫；表面活性剂；表面张力；SiO2纳米颗粒Enhancement mechanism of modified SiO2 nanoparticles / surfactant on water - based foam stabilityAbstractIn this paper, the effects of concentration and species of SDS、CTAB和C12E5 three kinds of surfactants on foam stabili

3、ty were investigated by measuring the half-life of foam, and the surface tension at different concentrations was measured. The results show that the stability of the foam increased with the increase of surfactant concentration firstly, then entered a smooth stage. The order of the stability of the t

4、hree kinds of surfactants was obtained, and the critical micelle concentration of each surfactant was found out. Besides, the modified SiO2 nanoparticles was imported to investigate the effect of nanoparticles on the stability of aqueous foam. The results show that the influence of SiO2 nanoparticle

5、s on the stability of foam was different under different concentration of surfactants. And the optimal concentration of surfactants and SiO2 nanoparticles was determined, the mechanism of foam stability was studied by molecular dynamics simulation at the same time. The investigation may provide some

6、 theoretical guidance for the research of SiO2 nanoparticles/surfactants foam system. Keywords：Foam；Surfactant；Interfacial tension；SiO2 nanoparticles目 录第1章 绪论11.1 引言11.2 泡沫概述11.2.1 泡沫的形成及结构11.2.2 泡沫的衰变21.3 表面活性剂概述31.3.1 表面活性剂的定义和分类31.3.2 表面活性剂的基本性质41.4 改性SiO2纳米颗粒概述51.4.1 SiO2纳米颗粒稳定泡沫优势51.4.2 SiO2纳米颗

7、粒稳定泡沫机制51.4.3 SiO2纳米颗粒稳定泡沫影响因素61.5 研究内容7第2章 单一表面活性剂对泡沫稳定性影响规律的研究92.1 实验材料及实验仪器92.1.1 实验材料92.1.2 实验仪器92.2 单一表面活性剂形成的泡沫半衰期的测量92.3 单一表面活性剂形成的泡沫表面张力的测量102.4 泡沫形态记录112.5 结果与讨论112.5.1 单一表面活性剂浓度与泡沫半衰期和表面张力的关系分析112.5.2 泡沫形态分析122.6 本章小结14第3章 改性SiO2对泡沫稳定性影响规律的研究153.1 实验器材及模拟方法153.1.1 实验材料及实验仪器153.1.2 研究对象及模拟方

8、法153.2 纳米SiO2的疏水化修饰及表征163.2.1 纳米SiO2的疏水化修饰163.2.1 疏水化纳米SiO2的表征173.3 改性SiO2对泡沫稳定性的影响探索173.4 结果与讨论183.4.1 改性SiO2对低浓度表面活性剂形成的泡沫稳定性的影响规律183.4.2 改性SiO2对临界胶束浓度表面活性剂形成的泡沫稳定性的影响规律193.4.3 改性SiO2对高浓度表面活性剂形成的泡沫稳定性的影响规律213.4.4 不同浓度SiO2下泡沫稳定性变化的机理研究233.5 本章小结26第4章 结论27致 谢28参考文献29第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言泡沫在我们日常生活中的很多领域

9、都有着广泛的应用，如化妆品和洗涤剂，而且在许多工业领域如矿物浮选、电磁干扰屏蔽、提高石油采收率（EOR）等也有重要应用1-6，但是泡沫的不稳定性使其应用受到限制。表面活性剂所具有的亲水基团和疏水集团能够降低气-液表面张力，进而提高泡沫的稳定性。但是在实际生产中，比如用于驱油时的地层状态往往是高温、高盐等苛刻的条件，泡沫稳定性受到很大的影响，再者，表面活性剂在如此条件下非常容易被破坏，也就说明仅借助表面活性剂是不能使泡沫性质达到稳定的。在实际生产应用中，常常通过添加聚合物为主的稳泡剂，来实现泡沫稳定性的提高，但这种方法也会造成一系列的问题。在高温地层中，该类型的稳泡剂极易分解失效，且起泡体积小效

10、果差，泡沫破裂失效后遗留的有机物残渣会致使地层破坏。纳米SiO2作为一种新型有效的稳泡剂由于其性能优异并且适应条件广泛而逐渐发挥出了应用优势。但现如今对这部分基于表面改性的SiO2以及表面活性剂的复配体系的稳泡剂，在稳泡效果方面的研究较少。现针对三种表面活性剂稳泡性能以及与纳米SiO2复配的情况进行了模拟及实验研究，为今后研究SiO2纳米颗粒复配型稳泡剂性能提供了一定的理论指导。1.2 泡沫概述1.2.1 泡沫的形成及结构泡沫在我们的日常生活中存在很普遍。泡沫是由分散的气相和连续的液相组成的胶体系统。稳定的泡沫不能仅由纯液体形成，液体中要有两种或两种以上的成分，基础成分为起泡剂和起泡液体。用的

11、最广泛的起泡剂为表面活性剂，起泡液体通常为水，有时也为超临界二氧化碳等特殊物质。有时候还加入醇和胺等氧化物作为稳定泡沫剂来稳定泡沫。向水中加入起泡剂之后，起泡剂会吸附在气-液界面，还有一部分起泡剂会以胶束状态团聚在水相中，气-液界面上的起泡剂由于其两亲性的特点使得其亲水基团与疏水基团分别伸向水中和空气中。水相中的起泡剂吸附在气泡周围形成一个大气泡，由于浮力上升到气-液界面，并与界面上的起泡剂接触，形成双吸附层（如图1-1所示）。双吸附层两侧的气泡由于起泡剂的吸附而稳定的存在，当形成很多这种气泡时，便是生活中常见的蜂窝状泡沫。图1-1 起泡剂在泡沫上的吸附1.2.2 泡沫的衰变泡沫巨大的表面能使

12、其倾向于破裂，所以它一出现就开始演变8。液体的排出、泡沫的聚结和泡沫膜的破裂是影响泡沫稳定性的主要过程9-12，其实际上由泡沫膜的特性决定。其中，泡沫中液体的排出主要是由重力和起泡之间的相互挤压造成的；而曲面压力作用导致了气泡间相互挤压（如图1-1即为Plateau边界）。根据Laplace方程可以得出：PB-PA=/R (1-1)PA和PB分别为图1-2中所示的A、B处的压力，为表面张力，R为气泡半径。根据式(1-1)可以看出相比之下，B处压力更大，导致BA两处之间形成压力差，继而使得液体由B流至A处，致使液膜厚度不断地减小，最终破裂。图1-2 Plateau 边界 除此之外，液面处的气泡中

13、的气体直接扩散到空气中也会导致气泡破裂，还有位于液相中的气泡，会因为大小不一样导致的压力差使得小的气泡中的气体进入到大的气泡中，原本小的气泡就会逐渐减小直到破裂，也会导致泡沫减少。1.3 表面活性剂概述1.3.1 表面活性剂的定义和分类表面活性剂是含有亲水基团和疏水基团即亲油基团的两亲性分子，该特性使表面活性剂分子能够在溶液表面铺展开来，亲水基伸向水中，疏水基团伸向空气，继而使溶液的表面张力降低，达到稳定泡沫的效果。但是并非所有具有亲水基团和疏水基团的分子都属于表面活性剂分子，还需要满足碳氢链长度为820的条件13。根据分类标准的不同，可以把表面活性剂划分成不同的种类。常见的方法主要是依据表面

14、活性分子在溶液中电离特性各异，能够得到如下分类：能够电离出离子的称之为离子型表面活性剂；相反的不能电离的称为非离子型表面活性剂；根据离子型表面活性部位的不同，又将其分为阴离子型和阳离子型。而同时电离出两种离子的，又称为两性活性剂。（1）阳离子表面活性剂 绝大多数含氮有机物和部分含硫、含磷的活性剂能在水中能够电离出憎水的阳离子基团。其价格一般较高，所以不用于洗涤剂或润滑剂。其有着很强的杀菌能力，因而广泛应用于消毒剂。同时拥有很强的吸附能力，能够作为柔软剂用于纺织等行业。但是，该活性剂不能与阴离子型调配共用，否则会形成沉淀继而影响使用效果。（2）阴离子型表面活性剂将其溶于水中，能够电离出憎水的阴离

15、子，可分为磺酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐以及羟酸盐这四类。具有去污、发泡、分散、乳化等特性。作为发泡剂、乳化剂、洗涤剂及分散剂等广泛应用于化工行业。这种类型的活性剂是目前应用最为广阔的，常被广泛应用到三次采油过程当中。在上述四类中，硫酸盐型活性剂的洗涤以及润湿效果最好，但是因为含硫物对环境污染易造成污染，故这部分应用较少。另外，使用最早的为羧酸盐型表面活性剂，一直到现在都有使用，古代的肥皂就是这种类型的表面活性剂，具有良好的物理化学性能，但是其容易受到环境的影响，适用范围小。同样的，该类型不可以与阳离子型活性剂共用，否则形成沉淀导致效果变差。（3）非离子型表面活性剂该类型的活性剂在水中不会产生离子。正是因其本身有着亲水能力非常强的官能团，使其能够在水中溶解。和阴离子型表面活性剂相比具有一些优点和缺点，优点为其乳化能力更高，缺点为不耐碱，价格也比较高。另外，该活性剂的溶剂溶解度随着温度的升高反而降低，这是由于温度升高导致其氢键断裂，便破坏了它的亲水性，致使溶解度变小。其应用主要为医药、农药和食品等方面。（4）两性表面活性剂 在水中能同时电离出阴、阳离子两种离子类型，并且在溶液中的存在形式取决于溶液的PH值，当溶液的PH7时，以阴离子的