双偏振极化干涉技术研究残余聚合物在油水界面的吸附动力学及机理

As a newly developed optical analysis technique, Dual Polarization Interferometry(DPI) provides a label-free and real-time measurement in the thickness, density and mass of the interface layer with high resolution and accuracy. In this project, a novel adsorption measurement of polymer onto crude oil / water interface has been setup by DPI. The real-time variation of the thickness, mass and density of oil film with time can be obtained by inflowing of the residual polymer solution using DPI measurement. Hence, the adsorption isotherm, kinetic parameters and kinetic model of adsorption can also be obtained. In combination with the relationship between adsorbed mass, thickness and density, the adsorption conformation of polymer molecule on the interface can be inferred. Based on the above studies and results, we can propose a model chemical compound to substitute the asphaltene, which is the main active constituent of crude oil at the interface, to carry out the experiment. The adsorption mechanism of polymer on the crude oil / water interface can also be revealed by comparing the adsorption kinetic and conformation behavior of polymer onto the model chemical compound. These works will provide new support theoretically in the treatment of polymer contained produced water.

双偏振极化干涉技术作为一种新发展起来光学分析技术，具有无需标记、实时、精确测量界面层厚度、密度和质量绝对值的优点。本项目提出了采用双偏振极化干涉技术建立一种研究聚合物在原油/水界面微观吸附的实验方法，利用该方法测定驱油后残余的聚合物流经油膜表面时，油膜厚度、质量以及密度随时间的动态变化，获取聚合物的等温吸附线、等温吸附式以及热力学参数；建立吸附动力学模型；结合吸附层质量、厚度及密度三者的变化，推断聚合物分子的吸附形态。在此基础上，对于原油中的主要界面活性组分（沥青质），采用模型化合物代替其进行实验，通过对比研究聚合物分子在沥青质模型化合物表面、原油表面的吸附动力学和吸附形态，揭示聚合物分子在原油/水界面的吸附机理。这些工作的开展将为油田聚合物驱油采出污水的处理提供新的理论支持。

聚合物驱采油污水中由于含有大量残余的聚合物（HAPAM），给油田污水处理带来了极大困难。研究表明，聚合物在油水界面的吸附是导致油水乳状液稳定的根源。研究聚合物在油水界面的吸附动力学、吸附形态以及聚合物与原油组分间相互作用的微观信息，可以揭示聚合物在原油界面吸附的机理，进而寻求有效的脱附条件及方法。.本项目采用双偏振极化干涉（DPI）技术，建立了一种新型的界面分析方法，实时、在线测量了聚合物在油/水界面的动态作用过程，研究了聚合物在油/水界面微观吸附机理。项目将原油油膜涂覆在DPI感应芯片表面，通过DPI技术测定聚合物流经原油表面时油膜质量、厚度、密度的动态实时变化情况，考察聚合物在油膜表面的吸附情况，获得聚合物分子结构与油膜相互作用行为之间的关系，明确聚合物在油/水界面的作用机理。同时，项目采用沥青质模型化合物代替沥青质进行实验，通过对比研究聚合物分子在沥青质模型化合物表面、原油表面的吸附动力学和吸附形态，进一步揭示聚合物分子在原油/水界面的吸附机理。.研究表明，HAPAM在油膜表面产生不可逆吸附，界面过程经历了扩散、吸附、解吸附三阶段作用。随HAPAM溶液浓度变化，吸附层呈现出两种不同形态。低浓度下（500 mg/L），HAPAM分子先以尽可能“平躺”的方式吸附于油膜表面，随后以“部分接触"的方式吸附；高浓度下（1000-3000 mg/L），HAPAM分子先以部分接触的吸附，随后则均匀地吸附。由HAPAM在油膜表面吸附初期动力学模型，获得了初期HAPAM在油膜表面吸附形成亚稳态复合物的生成速率常数k_1，脱离速率常数k_(-1)及结合常数K_a。HAPAM在油膜表面吸附是一个放热过程，界面熵值减小。HAPAM与原油各活性组分界面作用表明，HAPAM分子在沥青质和胶质表面产生稳定吸附，而在饱和分和芳香分表面发生明显的洗脱。其中，HAPAM疏水单体与油水界面的疏水作用是产生吸附作用导致油水界面稳定性增加的主要原因。该研究结果对探究残余聚合物稳定油水界面的作用机理具有重要意义，为油田聚合物驱油采出污水的处理提供新的理论支持。