WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Санкт-Петербургский Государственный Университет

На правах рукописи

БОГАЧЕВ Дмитрий Александрович ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ТОЛЩИНУ ТОНКИХ ПЛЕНОК ВОДНЫХ И ФОРМАМИДНЫХ РАСТВОРОВ NaCl И CuSO В СИСТЕМЕ – МОДЕЛЬ ПРЯМОЙ ЭМУЛЬСИИ В 4 ГИДРОФИЛЬНОМ КАПИЛЛЯРЕ 02.00.11 – коллоидная химия А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Санкт-Петербург 2010 2

Работа выполнена на кафедре коллоидной химии химического факультета Санкт-Петербургского Государственного университета

Научный консультант: доктор химических наук, профессор Тихомолова Ксения Петровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Красиков Николай Николаевич кандидат химических наук, доцент Малов Владимир Александрович

Ведущая организация: Санкт-Петербургская Государственная Химико-Фармацевтическая Академия

Защита диссертации состоится “ 25 ” февраля 2010 г. в 1700 часов на заседании совета Д 212.232.40 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском Государственном университете по адресу: 199004, Санкт-Петербург, Средний проспект, д. 41/43, большая химическая аудитория.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. А.М. Горького СПбГУ, Университетская наб., д. 7/9.

Автореферат разослан “ 20 ” января 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор химических наук, профессор А.А. Белюстин 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидрофильные капиллярно-пористые тела, заполненные прямыми эмульсиями, широко представлены в природе (нефтяные и газовые коллекторы, почвы, биологические объекты) и используются в различных технических процессах (фильтрация эмульсий, каротаж нефтяных и газовых месторождений).

В качестве простой физической модели такого рода систем используют гидрофильный капилляр, заполненный водным раствором электролита и содержащий одну каплю неполярного флюида или пузырк воздуха. В случае тонких капилляров капля образует цилиндрический столбик, ограниченный по торцам полусферами. Характерная особенность указанной модели заключается в существовании тонкой пленки полярной жидкости между поверхностями капилляра и каплей (пузырьком) неполярного флюида. Наложение внешнего электрического поля приводит к изменению толщины пленки, что особенно важно для задач изменения скорости напорной фильтрации в случае низкопроницаемых пор, электрической и гидравлической проницаемости капиллярно-пористых тел в целом, изменения подвижности дисперсной фазы. Решение этих задач необходимо для повышения эффективности газо- и нефтедобычи, целевого транспорта лекарственных средств, разрушения тромбов в кровеносных сосудах, получения монодисперсных микроэмульсий.

В настоящее время в литературе представлены лишь отдельные сведения о влиянии различных факторов на толщину пленки в капиллярных системах, не содержащих поверхностно активных веществ, стабилизирующих межфазную границу жидкость-жидкость. Поведение эмульсий в капиллярных системах с подвижной границей раздела жидкостей при воздействии электрического поля, создаваемого внешним источником питания (внешним постоянным электрическим полем – ВПЭП), и протекающие при этом процессы – главным образом изменение толщины пленки – до сих пор малоизученно, несмотря на растущий интерес к физико-химической механике и электрогидродинамическим явлениям в природных дисперсных системах, насыщенных двумя флюидами.

Основной целью работы являлось исследование влияния электрического поля на увеличение толщины тонких пленок растворов неорганических солей в полярной жидкости, образующихся в гидрофильном стеклянном капилляре, заполненном указанным раствором и содержащим одну каплю неполярной жидкости в форме столбика.

Данная цель достигается решением следующих задач:

1) комплексным экспериментальным исследованием влияния напряжения на концах капилляра электрического поля, созданного внешним источником питания, геометрических параметров экспериментальной (рабочей) системы, природы полярного флюида и природы и концентрации неорганического электролита на изменение равновесного значения электрического сопротивления стеклянного капилляра, заполненного водными и формамидными растворами NaCl и CuSO4 и одним столбиком октана;

2) на основе результатов эксперимента расчетом толщины пленки по закону Ома как функции перечисленных переменных и параметров электрического поля во всех рабочих системах;

3) проверкой выдвинутой ранее теории [1, 2] увеличения толщины пленки под действием ВПЭП;

4) расчетом по уравнению теории [1, 2] величины характеристического параметра – w, представляющего собой отношение среднего дипольного момента молекулы растворителя в направлении поля к ее постоянному дипольному моменту и пропорционального средней ориентационной поляризуемости молекул постоянного диполя.

Научная новизна.

1. На основе проведенного в работе комплексного экспериментального исследования изучаемого в диссертации явления впервые определено влияние природы растворителя, концентрации и природы электролита и значений геометрических параметров рабочей системы на зависимость толщины пленки от напряжения на концах капилляра.

2. На основе полученных экспериментальных результатов подтверждена гипотеза [1, 2] об увеличении толщины изучаемой пленки под воздействием напряжения от внешнего источника в результате возникновения сильной неоднородности электрического поля в области менисков в капилляре.

3. Для всех рабочих систем проведен расчет величины среднего дипольного момента молекулы растворителя в направлении поля на единицу е постоянного дипольного момента.

4. Представлен новый способ определения средней ориентационной поляризуемости молекул постоянного диполя на направление электрического поля.

Практическая значимость.

Установление закономерностей увеличения толщины тонких несимметричных пленок полярных жидкостей в капиллярно-пористых телах, заполненных прямыми эмульсиями, под действием постоянного электрического поля может найти (и отчасти уже нашло) приложение к решению важных практических задач: создания элементной базы, основанной на электрострикционных явлениях в дисперсиях двух флюидов, находящихся в капилляре; воздействия электрических полей на проводимость биологических мембран, целевого введения лекарства, изменения положения капли или пузырька и т.п.; задач геологоразведочных и поисковых работ на нефть и газ, агротехники и напорной фильтрации.

Выявление новой эффективной составляющей расклинивающего давления найдет новые приложения в различных сферах практической деятельности.

Предложенный новый способ определения проекции ориентационной составляющей электрического диполя на направление электрического поля, по-видимому, может использоваться в электротехнических задачах.

Положения, выносимые на защиту:

все представленные в диссертации экспериментальные данные по влиянию природы электролита (NaCl и CuSO4), концентрации электролита (0,1-0,2 М), природы растворителя (воды и формамида), геометрических размеров при вариации в широких пределах (радиуса капилляра и его длины, длины столбика октана) на зависимость равновесной толщины пленки раствора полярной жидкости в указанных выше рабочих системах от напряжения на концах капилляра, создаваемого ВПЭП.

подтверждение предложенного ранее механизма [1, 2] увеличения толщины пленки проводящей полярной жидкости при воздействии на экспериментальную систему внешним постоянным электрическим полем на основе: оптических наблюдений, анализа зависимости толщины пленки от напряжения на концах капилляра (в частности, отсутствия зависимости толщины пленки от концентрации и природы электролита при высоких напряжениях); анализа соответствия рассчитываемой величины характеристического параметра теории w приводимым в литературе значениям близких по физическому смыслу параметров.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы были представлены на III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (Москва, 24-28 июня 2008 г.) и на II Научной конференции студентов и аспирантов химического факультета СПбГУ (Санкт-Петербург, 25 апреля 2008). По материалам диссертации опубликовано 3 печатные работы в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК Минобрнауки РФ.

Представленные в диссертации исследования поддержаны Грантом Президента Российской Федерации по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации № НШ-3020.2008.3, тематическим планом НИР «Поверхностные и электроповерхностные явления в макро-, микро- и наногетерогенных системах» (№ Госрегистрации 0120.0503101), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы», проектом «Структура термодинамики, кинетики супромолекулярных систем» №2.1.1/4430.

Объем и структура работы: диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста; иллюстрируется 57-ю рисунками, 11-ю таблицами, состоит из введения, обзора литературы, описания методик и объектов исследования, изложения результатов эксперимента и их обсуждения, анализа достоверности теории, выводов, списка литературы из 78 наименований и Приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована научная новизна и определена цель работы.

В первой главе представлен обзор литературы по проблеме воздействия внешних силовых полей на деформацию дисперсных частиц эмульсий, состоящих из двух взаимно нерастворимых флюидов. В части цитируемых работ рассматривается ситуация, когда капля находится в бесконечном пространстве дисперсионной среды, в другой – когда капля находится в капилляре. Рассмотрены работы по электрокинетическому и напорному движению капли эмульсии в капилляре.

Детально описана теория [1, 2], в которой рассматривается механизм изучаемого процесса и представлено решение соответствующей электрогидродинамической задачи. Основная суть гипотезы сводится к следующему.

При наложении ВПЭП на исходную равновесную (~ в отсутствии поля) систему происходит увеличение давления в пленке. Процесс обусловлен наличием неоднородного электрического поля в полярной фазе в области менисков и воздействием его на диполи растворителя дисперсионной среды. На заряды ориентированного по полю диполя действуют разные по величине и направлению электрические силы. В итоге на любой диполь как систему связанных материальных точек и локализованных в ней зарядов действует сила (пондеромоторная), являющаяся результирующей электрических сил. Под действием данной силы диполь перемещается в направлении увеличения напряженности поля. Все диполи перемещаются из менисков в пленку. Из-за замкнутости объема в пленке движение молекул растворителя с обеих сторон столбика приводит к появлению в пленке дополнительного давления («расклинивающего»), и, следовательно, к движению боковой поверхности столбика в направлении к оси капилляра. Происходит увеличение толщины пленки до тех пор, пока ответная механическая реакция столбика (~ капиллярное давление) не уравновесит возникающее дополнительное давление. На основе этой гипотезы была разработана теория [1, 2], позволяющая найти связь давления в пленке и равновесной толщины пленки с различными параметрами экспериментальных систем.

Во второй главе представлены характеристики объектов исследования и описаны методики экспериментального изучения.

Объекты исследования. Исследование влияния электрического поля на поведение модели эмульсии проводилось на капиллярах из стекла марки «пирекс», не подверженному заметному выщелачиванию в ходе эксперимента. Радиус капилляра варьировался в пределах 90-160 мкм. В качестве дисперсионной среды рабочих систем использовались растворы NaCl и CuSO4 в воде и формамиде, в качестве дисперсной фазы – октан.

Выбор использованных в работе растворителей обусловлен высокими значениями дипольного момента воды и формамида, обеспечивающими выполнение одного из основных положений гипотезы – молекула растворителя должна быть диполем, и высокими значениями диэлектрической проницаемости, необходимыми для создания электрического поля в капилляре определенного строения и обеспечения электрической проводимости. Октан выбран как типичный предельный углеводород.

Концентрация (с) использованных водных растворов NaCl 0,08-0,моль/л, CuSO4 0,08-0,22 моль/л, формамидных – 0,1 моль/л.

Все реактивы имели марку ч.д.а. Все водные растворы готовились на дистиллированной воде с удельной электропроводностью (2-5)·10-6 См/м. Электропроводность растворов измерялась с помощью кондуктометра Анион 4100.

Методы исследования. Электрокинетические потенциалы () измерялись методом: микроэлектрофореза – на границе раствора полярной жидкости и стекла (sw), электроосмоса двух жидкостей – на границе двух жидкостей (ow).

Основным методом исследования являлось количественное определение вольтамперных характеристик с помощью электрической установки (рис. 1), включающей универсальный мультиметр В7-46/1 с нижним пределом измерений по току 10 нА и источника питания Б5-49. Выполнялось измерение силы тока при ступенчатом изменении напряжения ВПЭП и наблюдение оптической картины с помощью микроскопа ЛОМО МИКМЕД-1.

Рисунок 1. Схема установки для количественного определения вольтамперных характеристик.

Обозначения: М – микроскоп МИН-5; V, A –универсальный мультиметр B7-46/1; ИП – источник питания постоянного тока Б5-49; 1 – капилляр, заполненный дисперсией раствор электролита – октан; 2 –буферные емкости («кресты»), заполненные тем же раствором электролита, что и капилляр; 3 – электроды; dk – диаметр капилляра; dв, dг – диаметры вертикальных и горизонтальных отводов буферных емкостей, соответственно. Геометрические соотношения не соблюдены,.

Значительная лабильность рабочих систем потребовала особого внимания к тщательной отработке методики для получения достаточно достоверных данных о значениях толщины пленок, их зависимости от указанных выше параметров систем и оценки правомерности гипотезы. В результате в дальнейшем в качестве значений толщины пленки приводятся средние значения из необходимого количества независимых данных при обеспечении необходимых условий выполнения опыта, выявленных в ходе отработки методики.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»