1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：油相对阴离子型和非离子型泡沫稳定性的影响学生姓名： 学 号： 专业班级：材料物理 指导教师： 20XX 年 6 月 16 日中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）油相对阴离子型和非离子型泡沫稳定性的影响摘 要本文采用分子动力学方法模拟了含有油相的阴离子型（SDS）泡沫和非离子型（C 12E5）泡沫的稳定性。通过提取油相和泡沫共存体系中各组分的密度分布、径向分布和均方位移等参数，研究了假乳液膜破裂的临界厚度以及破裂后液膜的结构变化，初步揭示了油相影响泡沫稳定性的方式。研究结果表明，当液膜排液到一定程度时，两种泡沫体系中的假乳液膜均发生破裂。SDS 泡沫中，
2、油相在假乳液膜破裂后连接液膜两侧形成油桥，油桥易被外力破坏导致泡沫稳定性降低；C12E5 泡沫中，油相在假乳液膜破裂后全部进入气/液界面，铺展在液膜表面的油相与 C12E5 相互作用，导致头基结合水分子的数目减少，液膜排液速度加快，泡沫稳定性降低。关键词：分子动力学模拟；假乳液膜；油相；稳定性中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）The effect of oil on anionic and nonionic foam stabilityAbstractWe investigate the stability of anionic (SDS) foam and nonionic (C12E
3、5) foam containing oil phase by molecular dynamics study. The critical thickness of pseudoemulsion film and the structure change of liquid film after rupture are investigative by the density distribution of each component in coexistent system of oil and foam, radial distribution and mean square disp
4、lacement. Initially revealed the way that oil phase affects foam stability. The obtained results clearly show that: the pseudoemulsion in two kinds of foam system can rupture when liquid film drainage up to a point. In SDS foam，oil phase connects both sides of liquid film and products oil bridge aft
5、er pseudoemulsion ruptured. The oil bridge can be damaged by external force easily, this will lead to foam stability lowers. In C12E5 foam, total oil phase can enter liquid-vapor interface after pseudoemulsion ruptured. The oil phase spreading on the liquid film surface interacts with C12E5, leads t
6、o the number of water molecule that binding with headgroup decreasing. This accelerates the drainage rate of liquid film, foam stability lowers.Keywords：Molecular Dynamics Simulation ；Pseudoemulsion film；Oil phase；Stability中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）目 录第 1 章 前言 .11.1 泡沫介绍 .11.1.1 泡沫的定义 . 11.1.2 泡沫的形成及结构 .
7、21.1.3 泡沫的分类 . 31.2 泡沫的衰变 .41.2.1 泡沫衰变的过程 . 41.2.2 泡沫衰变的机理 . 41.3 油相对泡沫稳定性的影响 .51.3.1 油相在泡沫中的存在形式 . 61.3.2 油相破坏泡沫稳定性的相关理论 . 6第 2 章 理论计算方法和软件介绍 . 82.1.1 分子力学方法 . 82.1.2 分子动力学模拟 . 82.2 软件介绍 .9第 3 章 油相对 SDS 泡沫稳定性影响的分子动力学模拟. 103.1 模型和模拟方法 .103.1.1 粗粒度珠子划分 . 103.1.2 模型构建 . 113.1.3 模拟方法 . 123.2 结果与讨论 .133
8、.2.1 液膜排液过程中的结构变化 . 133.2.2 油相进入气/液界面的机理 . 153.2.3 油相对 SDS 泡沫稳定性影响的机理. 183.3 本章小结 .19第 4 章 油相对 C12E5 泡沫稳定性影响的分子动力学模拟 . 21中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）4.1 模型和模拟方法 .214.1.1 粗粒度珠子划分 . 214.1.2 模型构建和模拟方法 . 224.2 结果与讨论 .224.2.1 液膜排液过程中的结构变化 . 224.2.2 C12E5 泡沫液膜的性质 .254.2.3 油相对 C12E5 泡沫稳定性影响的机理 . 284.3 本章小结 .29第 5
9、章 结论 .30致谢 .31参考文献 .32第 1 章 前言第 1 章 前言泡沫已被广泛应用在很多领域，比如矿物浮选 1、造纸业 2、食品业 3、石油工业 4、消防 5和化工 6等。泡沫是含有分散相（气泡）和连续相（液膜）的胶体体系。在泡沫中，亲水头基和疏水尾链组成的表面活性剂可以对稳定泡沫起到关键的作用 7。由于其特殊结构，表面活性剂倾向于吸附在气/液界面，亲水头基在水相中，疏水尾链伸向空气中，这样能够降低液膜的表面张力，减缓排液速度，以此来阻止泡沫破裂 8。由于泡沫具有静液压力低、排液慢、表观粘度高、体积波及系数大及对地层伤害小等特性，在油气开采中有着很广阔的应用前景。但是，当泡沫与原油接
10、触时，泡沫流体的流动性和稳定性会受到影响，多数情况下，原油会显著降低泡沫的稳定性 9。因此，油-水- 气三相泡沫的稳定性是阻碍泡沫应用在三次采油领域的主要问题，也是目前研究的关键。三相泡沫的稳定机理与两相泡沫相比要复杂的多，两相泡沫只是在含有表面活性剂的液体中分散着气泡，气泡被液膜分隔开来，这种泡沫很常见 10，稳定机理也已经较为清楚。而三相泡沫中还分散着油滴，油滴以乳状液滴的形式存在于液膜中。乳状液滴的尺寸不一，在液膜中的存在位置不同，在泡沫破裂过程中起到的作用也尚不清楚。近年来，随着计算机技术的发展，分子模拟已经被广泛应用在泡沫体系性质的研究中 11。利用分子模拟来研究原油对泡沫破坏的机理
11、，可以从分子水平揭示原油与泡沫的相互作用机制，有助于从微观角度明确油相的消泡机理，这对泡沫驱提高原油采收率的现场应用具有一定的指导意义。1.1 泡沫介绍1.1.1 泡沫的定义对泡沫的定义，多名学者提出了不同的见解。二十世纪六十年代初期，美国化学家L.I.Osipow 认为 12：由于泡沫的壁厚不同，泡沫中液相和气相所占的比重不同，液相比重高的泡沫可以近似为液体，气相比重高的泡沫可以近似为气体。二十世纪七十年代以来，各国学者对泡沫的认识是从泡沫中液体与气体的比率开始的。美国学者 R.F.Smith 认为 13，泡沫是密度与气体相近的“气液”分散体系。日本学者提出 14：泡沫是大量的气1第 1 章
12、 前言体散乱分布在少量液体中的分散体系。若液体中分布着少量的气泡，气泡之间不会互相接触，这样的体系称为“气体乳液”。当“气体乳液”中的液体比例降低时，会形成比表面积高、由薄液膜包裹着气泡组成的泡沫。中国的研究者赵国玺则认为 15：泡沫是气体以气泡的形式分散在液体中的分散体系。液体是连续的分散介质，气体则是不连续的分散相，由于气体的密度比液体小很多，所以气泡会在浮力作用下自发向液体表面移动，最终大量的气泡在液体表面聚集，形成气泡聚集体。近年来一直研究消泡问题的日本学者伊藤光一认为 16：当泡沫中液体的体积比气体的大时，液体中的气泡基本上是球形的，气泡间的相互作用很弱；只有当气体体积很大时才会形成
13、密集的真正的泡沫，此时液体成为薄液膜，气泡彼此相连构成多面体堆积起来。1.1.2 泡沫的形成及结构纯液体是不能形成泡沫的，虽然在日常生活中可能会在水中形成气泡，但是气泡存在的时间很短，一旦离开水面很快就会破裂 17，更不会大量聚集形成泡沫。要想形成稳定的泡沫体系，液体中至少要有两种及两种以上的成分，起泡剂和起泡液体是生成泡沫的先决条件，有时候还需要稳泡剂等物质。表面活性剂是生产生活中应用最广泛的起泡剂之一，通常亲水亲油平衡值（HLB）在 9-15 之间的表面活性剂都可以作为起泡剂。起泡液体绝大多数是水，也有超临界二氧化碳等特殊的起泡液体。而醇和胺等氧化物可以作为稳泡剂使用。常见的泡沫是在水中加
14、入表面活性剂后，通过搅拌或者通入气体生成的，水中加入蛋白质等大分子的体系也可以生成稳定的泡沫。向水中加入起泡剂后，起泡剂会吸附在气/液界面上，也有部分起泡剂会存在于水相中。由于起泡剂具有两亲性质，气/液界面上的起泡剂的亲水基团在水中，疏水基团伸向空气中，而水相中的起泡剂大多以胶束形式存在。通入气体后，水相中的起泡剂包覆在气泡周围，形成一个气泡。由于浮力作用，气泡上升到液面上时，包覆着起泡剂的气泡与吸附在气/液界面的起泡剂接触便形成了两个气/液界面。起泡剂就会在内外两个气/液界面上形成双吸附层（如图 1-1 所示）。双吸附层中的水在两侧起泡剂的作用下形成稳定的液膜。当产生很多这样的气泡时，气泡就
15、会聚集在一起，形成生活中常见的，蜂窝状的泡沫。2第 1 章 前言图 1-1 起泡剂在泡沫上的吸附Fig.1-1 Adsorption of foaming agent in the foam生活中见到的泡沫从外观上给人杂乱无章的感觉，而实际上泡沫的结构是相当规则的（如图 1-2 所示）。根据 19 世纪比利时科学家 Joseph A. F. Plateau 提出的的平衡条件。液态泡沫中有且只能有四个气泡组成一组相互作用的基本单元。基本单元中的三个气泡会组成一个三角形的 Plateau 通道，它的曲率半径介于 1 m 到 1 mm 之间，体积约占气泡的 1/3，泡沫中的液体就在 Plateau
16、通道中流动。四个 Plateau 通道组成一个交汇点，两个气泡相接触构成一个泡沫液膜。泡沫液膜之间会构成一个 120的二面角，而 Plateau通道间会形成一个四面角，角度为 cos -1（-1/3）109.47。图 1-2 液相泡沫的基本结构示意图Fig.1-2 The basic structure of a liquid bubble diagram1.1.3 泡沫的分类对泡沫的分类有多种方法，由于研究目的不同，分类方法上也有很大的差别，常用的分类方法有以下几种：（1）根据泡沫寿命的长短不同，可以将泡沫分为“稳定泡沫”和“非稳定泡沫”，但是这个“稳定”与“非稳定”只是一个相对的概念，并没
17、有严格的时间界限来划分。3第 1 章 前言（2）根据泡沫中气相与液相的比例不同，如果泡沫体系中气体所占的体积大于液体，则为“干泡沫”，若泡沫体系中液体所占的体积大于气体，则为“湿泡沫”。（3）根据泡沫存在的环境不同，如若装有泡沫的容器的半径 R 大于泡沫体系中气泡的平均半径 r，则该泡沫为“松散泡沫”，否则称为“封闭泡沫”或者“液膜结构泡沫”。1.2 泡沫的衰变1.2.1 泡沫衰变的过程泡沫是一种热力学不稳定体系，一定量的泡沫生成后，随着时间的推移，泡沫会发生衰变。这是由三个过程决定的：（1）泡沫排液：在重力的作用下，泡沫的液膜、Plateau 边界以及交汇点处的液体会渗流而出，导致泡沫中的液
18、体减少。（2）气泡粗化：由于泡沫中的气泡大小不同，所以气泡中的压力也不一样，根据Laplace 方程（式 1-1），小气泡中的压力比大气泡中大，使小气泡中的气体穿过液膜扩散到大气泡中去，直至小气泡消失不见。这样，随着时间的变化，泡沫中气泡的平均直径不断变大，数目减少，造成气泡粗化。1 1p = ( + ) (1-1)r1 r2（3）液膜破裂：随着泡沫中液体的含量不断降低，相邻两个气泡间的液膜破裂，使气泡发生聚并，进而导致泡沫的衰变。由于这三个过程相互作用，使泡沫呈现出随时间不断变化的非平衡特性，最终达到平衡状态。1.2.2 泡沫衰变的机理泡沫衰变主要包括排液和气体扩散两种方式：泡沫排液是在重力
19、等作用下，液膜中的液体流失造成液膜变薄；泡沫中气体的扩散是由于液膜致密性不够，气泡中的气体透过液膜扩散出来，导致气泡变小。这两种方式都与液膜的性质以及液膜与 Plateau 边界间的相互作用有直接关系。泡沫中液体流失主要是由于重力和气泡的相互挤压导致的。气泡挤压主要因为曲面压力，图 1-3 表示三个气泡交界处形成的 Plateau 边界，根据 Laplace 方程可以导出：PB - PA = R (1-2)4第 1 章 前言式中，P A 为图 1-3 中 A 处的液体压力；P B 为 B 处的液体压力； 为表面张力；R 为气泡的半径。根据式（1-2）可知，B 处液体的压力比 A 处大，因此由
20、B 处向 A 处形成压差，泡沫膜中的液体自发地从 B 处流向 A 处，这使得液膜不断变薄，最终导致破灭。图 1-3 Plateau 边界 Fig.1-3 Plateau borderDe Vries18曾详细研究过气泡间气体的扩散过程，发现：当小气泡被大气泡包围时，小气泡半径的平方随着时间增长而线性减小，泡沫总数则随着时间平方的倒数的减小而减小。随着时间推移，泡沫出现这种粒径不均一的情况，与 Ostwald 陈化 19相似。并且，研究表明，气体从较小的体积中转移到较大的体积中的驱动力来源于表面能的降低，Lemlich20以此提出了气泡生长的定律：dri 1 1= K( - ) (1-3)dt
21、r21 ri式（1-3）r i 中为第 i 个气泡的半径，t 为时间，r 21 为瞬时平均半径（r i 大于 r21 的气泡会长大，r i 小于 r21 的气泡会变小），K 为一个参数。 Ross 等用（1-3 ）式计算，发现计算结果与实测值有很大的误差，这主要是因为（1-3）式只考虑了气泡中气体的扩散，没有将液膜排液过程考虑在内。1.3 油相对泡沫稳定性的影响一般来说，油相对泡沫有破坏作用。但也有研究表明，当油相与泡沫共存时，液膜和 Plateau 边界中的乳化油滴对泡沫有稳定作用。三相泡沫的稳定性机理比两相泡沫要复杂的多。近年来也有很多学者 21-23研究油相对泡沫稳定性的影响机理，但由于研究对象及实验条件不一致，分别从不同的方面提出了对油相消泡机理的解释但目前还没有形成一个统一的、明确的认识。要想深入理解油相对泡沫稳定性的影响，有必要从更加微观角度对两者间的相互作用进行分析，因此本课题采用分子动力学方法模拟了三相泡沫5
