高分子膠體粒子在二維油水界面上的擠阻轉(zhuǎn)變

摘要：分散在油水界面上的膠體粒子既可應(yīng)用于乳液的穩(wěn)定和分散，還可作為二維模型體系來研究凝聚態(tài)物理中的問題，例如二維擠阻轉(zhuǎn)變。深入理解粒子在界面上的行為以及闡明界面粒子間的相互作用是實(shí)施相關(guān)應(yīng)用或開展相關(guān)基礎(chǔ)研究的前提。但至目前為止，對(duì)膠體粒子在界面上的行為的理解還存在許多不足，許多科學(xué)問題亟需闡明。在本研究計(jì)劃中，我們結(jié)合了多種基于顯微成像的先進(jìn)技術(shù)，包括亮場(chǎng)成像和粒子追蹤技術(shù)、高速轉(zhuǎn)盤共聚焦成像、激光掃描共聚焦成像、顯微微注射以及顯微微電泳等技術(shù)，對(duì)分散在油水界面上膠體粒子的行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我們的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠體粒子在界面分散時(shí)，粒子在接觸界面的瞬間因界面張力會(huì)導(dǎo)致粒子沿界面高速噴射；在此自發(fā)過程中，粒子與界面的摩擦將產(chǎn)生電性為負(fù)的剩余電荷并累積在浸沒于油相中的粒子表面上。且這些剩余電荷不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在，它們會(huì)隨著時(shí)間的流逝在幾小時(shí)內(nèi)逐漸消失。失去剩余電荷保護(hù)的膠體粒子間的排斥作用將大幅減弱，在水相有一定濃度電解質(zhì)存在的情況下，界面粒子將產(chǎn)生不可逆的聚集。基于摩擦起電這一物理現(xiàn)象，我們還建立了模型并對(duì)剩余電荷產(chǎn)生和消除的過程進(jìn)行了量化。值得指出的是：我們的系統(tǒng)研究顯示出膠體粒子因摩擦界面產(chǎn)生電荷，以及摩擦電荷的消除是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，所以該機(jī)制的闡明對(duì)許多研究具有廣泛的意義。同時(shí)利用我們的方法人們可在流體界面上實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣的生物大分子（如DNA,蛋白質(zhì)或病毒顆粒等）的“充/放電”。 2100433B

軟物質(zhì)的擠阻轉(zhuǎn)變是一個(gè)結(jié)合了高分子軟物質(zhì)和凝聚態(tài)物理的最新研究方向。目前，理論計(jì)算和模擬與宏觀實(shí)驗(yàn)（如流變）結(jié)果之間無法銜接。因此，需要一個(gè)可直接觀測(cè)系統(tǒng)微觀狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究，利用統(tǒng)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)的方法去揭示轉(zhuǎn)變的機(jī)制。另外，目前的實(shí)驗(yàn)均使用較大的粒子，因此熱能量貢獻(xiàn)甚微（即：近似無熱運(yùn)動(dòng)或絕對(duì)零度）。針對(duì)這兩點(diǎn)，本研究擬采用束縛在二維油水界面上可調(diào)控相互作用的高分子軟膠體小粒子，結(jié)合具高時(shí)空分辨率的顯微拍照和圖像追蹤實(shí)驗(yàn)手段，直接獲取體系在有限溫度下、擠阻轉(zhuǎn)變前后的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)微觀結(jié)構(gòu)，從而揭示擠阻轉(zhuǎn)變前后系統(tǒng)宏觀性質(zhì)變化的微觀機(jī)制。并探索熱擾動(dòng)對(duì)微觀堆積和宏觀性質(zhì)的影響，填補(bǔ)該方向上實(shí)驗(yàn)研究的相對(duì)空白。此外，這種基于直接測(cè)量系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)的方法和其所給出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可直接驗(yàn)證理論計(jì)算和模擬中有關(guān)軟粒子在二維空間中隨機(jī)和非隨機(jī)堆積的重要結(jié)論，從而可進(jìn)一步在機(jī)制上闡明隨機(jī)和非隨機(jī)擠阻轉(zhuǎn)變之間的異同

油水界面

( WOC、oil aqueous interface)

在油藏中，由于流體的分異調(diào)整作用，石油占據(jù)油藏的高部位，水體則位于油藏的底部或邊部。石油與水體之間的接觸面，即稱為油水界面

油水界面為圈閉中油與水的分界面，一般用符號(hào)WOC表示。2100433B

能確定污油水艙柜內(nèi)或其他艙柜中的油水界面的儀器。

中文名稱

油水界面探測(cè)器

英文名稱

oilwater interface detector

定　　義

能確定污油水艙柜內(nèi)或其他艙柜中的油水界面的儀器。

應(yīng)用學(xué)科

船舶工程（一級(jí)學(xué)科），船舶機(jī)械（二級(jí)學(xué)科）

膠體是具有1nm到1μm粒徑，像粘土一樣很難自然沉降的微粒子。在水中通常帶負(fù)電。因此膠體粒子間由于靜電斥力的作用，不會(huì)發(fā)生聚合。

原水預(yù)處理絮凝

絮凝是加入絮凝劑中和膠體粒子表面的電荷，使得膠體粒子間的排斥力變?nèi)?，最終導(dǎo)致微粒子之間變的更容易聚集。絮凝通過以下三個(gè)方式起作用：

（1）膠體間的引力和反作用力；

（2）粒子和粒子的接觸、沖撞；

（3）化學(xué)作用（金屬氫氧化物的溶解度）。

多數(shù)常用絮凝劑與水中的堿成分反應(yīng)易生成金屬氫氧化物，如果加入絮凝劑的量過多，會(huì)導(dǎo)致生成的氫氧化物析出并對(duì)膜元件造成污染。常用絮凝劑見右圖表格。

影響絮凝的因素，除了絮凝劑的注入量以外，還有pH 值、攪拌條件、共存離子以及水溫等。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須預(yù)先對(duì)這些絮凝條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。最適合的條件要用測(cè)試器進(jìn)行測(cè)試，由生成的絮凝體特性狀態(tài)決定設(shè)計(jì)條件，當(dāng)然最終還需要用實(shí)際的溶液來決定確切的絮凝條件。

原水預(yù)處理介質(zhì)過濾

按照過濾的速度可分為緩速過濾和急速過濾兩個(gè)大類。右圖中列出了不同過濾方式的不同特征：介質(zhì)過濾可以有效的去除反滲透和納濾給水中的懸浮物，降低濁度和SDI 值。僅靠絮凝、砂濾無法把原水中的粒子有效捕捉時(shí)，還可以配合使用絮凝沉淀和氣浮組合。但是，添加過濾輔助藥劑或者絮凝劑，有可能會(huì)導(dǎo)致反滲透和納濾膜污染。因此需要做小型燒杯實(shí)驗(yàn)，以確認(rèn)藥劑的添加是否對(duì)反滲透和納濾系統(tǒng)有影響。

在選擇濾速時(shí)，依據(jù)原水水質(zhì)的不同可以有所變化。通常對(duì)于地下水水源，由于水中的膠體、懸浮物含量較少，可以選擇較高的濾速；對(duì)于污染較嚴(yán)重的地表水，濾速的設(shè)定一定不能太高，以免對(duì)反滲透和納濾系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染

從工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)上，對(duì)于受污染的地表水，過濾速度應(yīng)盡量小于8 米/小時(shí)，有條件的可以接近6 米/ 小時(shí)，最高也不要超過10 米/小時(shí)。

原水預(yù)處理活性炭

活性炭可以用來吸附溶解性有機(jī)物以及游離氯和臭氧等氧化劑，用活性炭作為反滲透和納濾膜系統(tǒng)的預(yù)處理已經(jīng)被廣泛使用。通常被采用的活性炭有兩種類型：

顆?；钚蕴浚℅ranular Activated Carbon，縮寫：GAC）

粉末活性炭（PowderedActivated Carbon，縮寫：PAC）

他們的特征如右圖所示：

原水預(yù)處理微濾和超濾

微濾（MF）和超濾（UF）是近幾年才大規(guī)模應(yīng)用的反滲透和納濾預(yù)處理工藝。 同絮凝、沉淀以及砂濾比較，其過濾的水質(zhì)穩(wěn)定、設(shè)備管理比較簡(jiǎn)單，也不會(huì)產(chǎn)生過濾殘?jiān)蛐跄勰嗟葟U棄物。

作為預(yù)處理，微濾和超濾膜的使用幾乎可以完全去除不溶解的物質(zhì)，降低顆粒物的污染風(fēng)險(xiǎn)，使得反滲透的設(shè)計(jì)水通量可以適當(dāng)增加約10 – 20 %。但是微濾和超濾也不能包治百病，并非采用了微濾和超濾就可以排除一切對(duì)反滲透和納濾產(chǎn)生污染的物質(zhì)。

一方面是由于微濾以及用于反滲透和納濾預(yù)處理的超濾膜都屬于篩分過濾，過濾孔徑大約在0.02 – 0.05 微米之間，雖然大部分不溶解的物質(zhì)都會(huì)被截留，但是很多溶解在水中的有機(jī)物同樣會(huì)對(duì)反滲透和納濾系統(tǒng)產(chǎn)生污染，而這恰恰是微濾和超濾預(yù)處理不能解決的。

另一方面，微濾和超濾預(yù)處理系統(tǒng)經(jīng)常要伴隨著藥劑的加入，例如：絮凝劑、阻凝劑、氧化劑、酸和堿等，這些化學(xué)物質(zhì)有可能在微濾和超濾的產(chǎn)水中存留，進(jìn)而導(dǎo)致反滲透和納濾膜的污染和劣化。其中尤其要注意的是絮凝劑和氧化劑，從目前大量的雙膜法（MF/UF RO）案例來看，大多數(shù)微濾和超濾系統(tǒng)會(huì)在線投加絮凝劑，種類以鐵鹽和鋁鹽為主，這是為了在原水中造成微絮凝以提高微濾和超濾的產(chǎn)水水質(zhì)，部分絮凝劑未能充分反應(yīng)并透過微濾和超濾膜進(jìn)入產(chǎn)水側(cè)，由于在產(chǎn)水水箱中有一定的停留時(shí)間，導(dǎo)致這些透過的絮凝劑發(fā)生二次絮凝，這對(duì)反滲透和納濾膜會(huì)造成嚴(yán)重的污染。

氧化劑的投加主要是為了殺滅水中的微生物，在微濾和超濾的反洗步驟中也經(jīng)常使用，但是殘留的氧化劑如果沒有充分的還原，就會(huì)造成反滲透和納濾膜的氧化，導(dǎo)致不可恢復(fù)的破壞。

因此，在選擇微濾和超濾作為預(yù)處理時(shí)，一定要嚴(yán)格控制藥劑的投加量、嚴(yán)格按照微濾和超濾制造商提供的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)，雖然微濾和超濾系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、運(yùn)行操作簡(jiǎn)單，但也同樣要做好維護(hù)工作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

原水預(yù)處理保安過濾器

通過預(yù)處理的水在進(jìn)入反滲透和納濾系統(tǒng)之前通常會(huì)設(shè)置5 μm 左右的保安過濾器，這是為了防止管路和中間水箱帶入污染物。需要注意的是保安過濾器可能會(huì)成為微生物污染的發(fā)生源，保安過濾器同樣需要定期清洗和殺菌。

原水預(yù)處理除鐵錳

在有的井水中含有還原態(tài)的Fe2 和Mn2 。這種水在氧化后或者當(dāng)水中的氫氧根超過5 mg/L 時(shí)，F(xiàn)e2 會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3 ，生成膠體的氫氧化物。

4 Fe（HCO3）2 O2 H2O → 4 Fe（OH）3 8 CO2

鐵比錳更容易造成反滲透和納濾膜的污染。用反滲透系統(tǒng)來處理這樣的水時(shí)，重要的是不要接觸空氣。在進(jìn)入反滲透裝置前對(duì)原水進(jìn)行氧化，然后使用過濾器脫除，也可以防止鐵和錳帶來的污染。 對(duì)鐵和錳的進(jìn)水要求可參見預(yù)處理方法目錄下的“RO和NF系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求”表格。