剪切流场中多组分共吸附行为对油水界面稳定性影响机制：微观尺度视角

《ACS Omega》：Influence Mechanism of Multicomponent Co-adsorption Behavior on the Stability of Oil–Water Interfaces in Shear Flow Fields: Insights from the Microscale

　　

沥青质、树脂、表面活性剂及聚合物分子在油水界面的共吸附会形成自组装结构，该结构对界面膜的强度与稳定性具有决定性影响。深入理解这种共吸附行为对界面膜的作用机制，对于调控原油开采与输送过程中的乳液稳定性具有重要意义。研究人员基于原油产出液的多组分特征构建了水包油型乳化液滴模型，通过在模型上下表面引入移动平板形成剪切流场，采用分子动力学模拟方法揭示了剪切速率、pH、温度及压力对油水界面膜稳定性的影响规律。结果表明，提高剪切速率与温度会降低界面吸附层的分子堆积分数，并削弱表面活性剂的亲水能力，从而导致界面膜强度下降。随着pH升高，部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）分子因水解产生的双电层效应，其回转半径先增大后减小，因此油水界面稳定性未呈线性增长。压力由0.1 MPa增至4.0 MPa时，界面吸附层分子堆积分数由0.324升至0.362，且该层与水分子间的氢键作用增强，从而提高油水界面膜的稳定性。

本研究发表于《ACS Omega》，聚焦于原油开采与输送过程中乳状液稳定性的问题。原油中含有沥青质、树脂等天然表面活性剂，易与驱替液形成油水界面，降低流动阻力并提高采收率。然而，三次采油中加入碱、表面活性剂及聚合物会加剧乳化，给油水分离带来设备负荷高、处理时间长及运行成本高等挑战。目前关于油水界面行为的分子动力学研究多在静态环境下进行，对剪切流场及工况条件变化的考虑不足，多组分共吸附行为及其对界面膜稳定性的影响机制尚未完全明确。

研究人员通过构建水包油乳化液滴的分子动力学模拟体系，引入Couette剪切流场，设置不同剪切速率、pH、温度及压力条件，分析了沥青质、树脂、表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）等在界面上的共吸附行为及相互作用。

关键技术方法包括：基于实际原油组分与地层水矿化度的分子动力学模型构建；采用Couette流场与SLLOD运动方程实现剪切流动模拟；利用Compass II力场描述原子间相互作用，结合智能能量优化与退火消除高能构象；在NVT及NPT系综下进行动态弛豫，并使用粒子-粒子粒子网格（PPPM）算法与Ewald算法分别处理长程静电与范德华相互作用。

研究结果如下：

剪切速率的影响：剪切速率升高导致SDBS尾链倾角先减后增，HPAM回转半径减小，界面吸附层分子堆积分数由0.352降至0.302，SDBS与HPAM间氢键平均键长增加，界面形成能（IFE）由?964.58 kJ/mol升至?863.09 kJ/mol，表明界面膜稳定性随剪切增强而减弱。

pH的影响：pH升高增强了SDBS与水分子的相互作用，HPAM回转半径因静电斥力先增后减，界面形成能持续降低，但pH由11升至13时降幅显著缩小，反映双电层压缩导致的电荷屏蔽效应。

温度的影响：温度升高使SDBS尾链倾角减小，HPAM回转半径增大，界面吸附层堆积分数由0.324降至0.309，氢键数量减少且键长增加，界面形成能从?896.72 kJ/mol升至?858.82 kJ/mol，界面膜稳定性下降。

压力的影响：压力升高使SDBS尾链倾角减小，HPAM回转半径增大，界面吸附层堆积分数由0.324升至0.362，SDBS与HPAM相互作用增强，氢键数量增加，界面形成能由?896.72 kJ/mol降至?928.21 kJ/mol，界面膜稳定性显著提升。

讨论与结论部分指出，油水界面稳定性受多组分共吸附形成的自组装结构控制，剪切与高温会削弱界面膜强度，碱性环境在一定范围内可增强稳定性，高压则通过压缩分子间距促进界面紧密排列与氢键增强。本研究揭示了动态条件下多组分协同作用对油水界面稳定性的微观机制，为复杂驱油技术产液的油水高效分离提供了理论依据。