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不同溫度和壓力對AOT穩(wěn)定CO2乳液的界面張力影響(二)

來源:中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 瀏覽 358 次 發(fā)布時間:2025-02-06

2實驗結(jié)果分析


2.1體系界面流變性


2.1.1 CO2乳液體系界面張力實驗


表面活性劑水溶液的密度與純水體系相近,其密度根據(jù)飽和水蒸氣溫度-壓力-密度-熱力學(xué)參數(shù)對照表確定,CO2密度與壓力溫度的關(guān)系見圖3。

圖3不同溫度下CO2壓力隨溫度的變化


表面活性劑水溶液液滴在CO2中的形狀隨溫度變化較小,隨壓力變化關(guān)系見圖4。

圖4液滴形狀隨壓力的變化


懸滴法測定液體的表面和界面張力原理見圖5。其中,de為懸滴最大直徑;d10為離頂點距離為de處懸滴截面直徑。


(1)


式中,b為懸滴底端(軸x)的曲率半徑;R為懸滴輪廓上一點p(x,z)在紙平面上的主曲率半徑;φ為輪廓線上p(x,z)點處的切線與x軸的夾角;β為體系的Bond number,稱為液滴的形狀因子,因為它的值直接決定了液滴的形狀。


(2)


γ=Δρgα2.


(3)


式中,Δρ為液滴相與周圍相之間的密度差;g為重力加速度;γ為表面/界面張力;α為體系的毛細(xì)管常數(shù)。


一個懸滴在達(dá)到靜力(界面張力對重力)平衡時,其輪廓可通過懸滴底端的曲率半徑b和液滴的形狀因子β來確定。TRACKER-H型界面流變儀就是利用該原理對圖像進(jìn)行計算處理得出界面相關(guān)參數(shù)。


(1)壓力對界面張力的影響。壓力對界面張力的影響見圖6。可以看出,CO2-AOT體系的界面張力隨著壓力的升高逐漸降低,約在8 MPa時體系界面張力開始達(dá)到最低,之后壓力繼續(xù)升高,體系界面張力趨于穩(wěn)定。原因在于壓力的升高會導(dǎo)致CO2-AOT兩相的密度差減小,有利于體系界面張力的降低;同時高壓使得AOT在CO2中的溶解度增加,使得CO2在兩相界面上吸引更多的表面活性劑分子,有利于表面活性劑降低界面張力。當(dāng)壓力增加到8 MPa時,此時壓力繼續(xù)增加,兩相的密度差和CO2的溶解度系數(shù)均增加緩慢,導(dǎo)致界面張力趨于穩(wěn)定。

圖5懸點法測定界面張力示意圖

圖6不同溫度下壓力對平衡界面張力的影響


(2)溫度對界面張力的影響。溫度對界面張力的影響見圖6。可以看出,當(dāng)體系壓力一定,體系界面張力隨著溫度的升高而增大,說明溫度的升高不利于體系界面張力的降低。原因在于CO2乳液是熱力學(xué)不穩(wěn)定體系,隨著溫度的升高,CO2本身的溶解度系數(shù)和密度均有所降低,分子熱運(yùn)動的加劇也不利于界面上AOT分子的吸附,導(dǎo)致界面處的AOT分子數(shù)目降低,最終導(dǎo)致體系界面張力升高。


2.1.2 CO2乳液體系界面黏彈性實驗


乳液的穩(wěn)定性很大程度上取決于界面膜的性質(zhì),而界面黏彈性是表征界面膜機(jī)械強(qiáng)度的重要參數(shù),通常用界面擴(kuò)張模量(ε)表征界面黏彈性的強(qiáng)弱,定義為界面張力變化與相對界面面積變化的比值,即


ε=dγ/dlnA(4)


式中,γ為界面張力;A為界面面積。


(1)壓力對界面黏彈性的影響。壓力對CO2-AOT水溶液體系擴(kuò)張模量的影響見圖7。界面的擴(kuò)張模量與實驗的振蕩頻率有關(guān),實驗選取0.1 Hz為振蕩頻率,振蕩頻率在實驗過程中保持不變,排出振蕩頻率的影響??梢钥闯?,CO2-AOT水溶液體系擴(kuò)張模量隨著壓力的增加而增大,當(dāng)壓力升高至8 MPa后體系的擴(kuò)張模量趨于穩(wěn)定。這是因為壓力的增加會導(dǎo)致CO2-AOT界面處的黏度增加,流體變稠,界面面積的變化需要更大的力;同時壓力升高導(dǎo)致CO2的密度增加,范德華力增加,對界面處的AOT分子有更大的吸引力,使得AOT分子在界面處更緊密的排列,使得界面黏彈性大大增加,但是壓力升高至8 MPa后,壓力的升高使流體變稠的能力減弱,擴(kuò)張模量趨于穩(wěn)定。

圖7不同溫度下擴(kuò)張模量隨壓力的變化關(guān)系


(2)溫度對界面黏彈性的影響。從圖7也可得出溫度對CO2-AOT水溶液體系擴(kuò)張模量的影響規(guī)律。CO2-AOT水溶液體系的擴(kuò)張模量隨著溫度的升高逐漸降低,說明升高溫度對體系界面黏彈性具有不利影響。其機(jī)制在于溫度升高使得CO2對界面處AOT分子的吸引力減弱,不利于AOT分子在界面處的排列,也不利于AOT分子在界面處的吸附,從而導(dǎo)致界面擴(kuò)張模量降低,界面膜的強(qiáng)度下降。


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