基于光镊技术原位研究水包油乳液双油滴间的相互作用及其稳定机理

As an advanced optical analysis technique, optical tweezers can capture and manipulate objects in microscopic size with the advantages of no mechanical damage, in situ test and accurate measurement of the interaction between two particles. In this project, a novel research method for in situ studying on the interaction forces between two oil droplets in oil-in-water emulsions has been established based on optical tweezers. The interaction forces and interaction potentials between two oil droplets can be obtained by monitoring the real-time variation of the displacement of the bead from the trap center in an oil-in-water emulsions system. This project aims to measure and analyze the interaction forces between two oil droplets with various active components (such as asphaltenes, resin, partially hydrolyzed polyacrylamide and sulfonate surfactants), to build a mathematical model and to reveal the stability mechanism of oil-in-water emulsions. This work will provide a new theoretical support in the treatment of oilfield produced sweage water.

光镊技术作为一种在微观尺寸捕获和操控物体的先进光学分析方法，具有不产生机械损伤 、原位测试、精确测量两个粒子间相互作用的优点。本项目提出了基于光镊技术建立一种原位研究水包油乳液中双油滴间相互作用的实验方法，利用该方法测定水包油乳液体系中双油滴在相互靠近时油滴偏离光阱中心位置的动态变化，获取乳液中油滴间的相互作用力和作用势；改变介质中的活性组分（如沥青质、胶质、部分水解聚丙烯酰胺、磺酸盐类表面活性剂等），测定乳液体系中油滴间的相互作用力，分析实验结果，建立数学模型，揭示水包油乳液的稳定机理。此项工作的开展将为处理油田开采产生的油田污水提供新的理论支持。

深入研究水包油乳液中油滴之间的相互作用，对油田提高采收率和采出液处理等有重要的意义。本项目发展了一种基于光镊技术原位研究水包油乳液中双油滴间相互作用的实验方法，设计并搭建了原位换液装置，对原位测力装置实验参数进行了优化；利用原位测力装置测定了不同浓度阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠SDBS 对分散在水溶液中的二氧化硅小球间相互作用力的影响，结果表明表面活性剂 SDBS形成的胶束会诱导二氧化硅小球间空位力的产生且随着 SDBS浓度的增大而增大，对计算得到的纯的空位力进行拟合，发现随着 SDBS浓度的增大二氧化硅小球的渗透压也随之增大，二氧化硅小球的排空距离与 SDBS浓度无关，即空位层厚度与空位物浓度无关；利用原位测力装置研究了不同表面活性物质对甲苯/水乳液中油滴间相互作用力的影响，结果发现，表面活性剂的带电性对油滴间相互作用力的影响很大。其中，离子型表面活性剂在溶液中形成的胶束诱导的油滴间空位力会使油滴发生聚并而非离子表活性剂 OP-10则不会。这表明胶束（空位物）与颗粒间带电性会影响颗粒间的相互作用力。同时，也发现离子型表面活性剂SDBS和 CTAB引起的空位力与其浓度大小呈正比关系 。油滴间空位力的存在，导致乳液中的油滴容易聚集。最后测得聚丙烯酰胺 PAM、 聚合物 MD 3001和 DMEA 1683在测定条件下对甲苯 /水乳液中油滴间相互作用力影响不大,油滴间总的相互作用力只有斥力。该项目为应用光镊深入研究乳液稳定性的微观机理提供参考。