自稳定CO2开关泡沫的研究

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泡沫是软物质科学的主要研究内容之一,同时因其具有较小的粒径、较大的比表面积和良好的流动性而广泛应用于日化洗涤、食品工程、油气开采等领域。在这些应用中,泡沫的稳定性起着制约性作用。许多应用前一阶段通常需要稳定的泡沫,后续阶段则需要消泡,以便于后处理。然而,目前的消泡方法主要是使用化学剂。这种消泡方法不仅不能精细地调节泡沫的性能,而且也阻止了泡沫的循环利用。因此,发展新的具有可控稳定性的智能开关泡沫成为新的研究思路。  在此背景下,结合本研究团队以前CO2开关蠕虫状胶束的研究思路,本文提出了自稳定CO2开关泡沫的新思路:以超长链脂肪叔胺—芥酸酰胺丙基-N,N-二甲基叔胺(UC22AMPM)和油酸酰胺丙基-N,N-二甲基叔胺(UC18AMPM)为表面活性剂,构建一种稳定的CO2/NH3·H2O开关泡沫。该智能泡沫中充分利用了CO2作为气体和刺激因子的双重功能—CO2与水形成碳酸后,既可以诱导上述长链叔胺发生球形胶束—蠕虫状胶束的可逆转变,使粘度升高和降低,而粘度又是稳定泡沫的必要因素;同时,CO2又是构成泡沫体系的分散相。基于自稳定CO2开关泡沫的课题,我门开展了常温常压和高温高压的泡沫性能及稳定泡沫的影响因素的研究,探讨了泡沫稳定的相关机理,得到了如下主要研究结果:  (1)在35℃及常压下,UC22AMPM制备的泡沫非常稳定(最大起泡体积Vmax=189 mL,泡沫半衰期t1/2=9750 s),而UC18AMPM制备的泡沫,稳定性相对较差(Vmax=145 mL,t1/2=445 s)。  (2) UC22AMPM被CO2质子化后,能够自组装形成蠕虫状胶束,使起泡剂粘度急剧增大(3.75×104 mPa·s),从而达到增粘、稳泡的作用;而UC18AMPM被CO2质子化后,未形成蠕虫状胶束,起泡剂粘度较低(1.14 mPa·s),所以泡沫稳定较差。  (3) UC22AMPM-CO2泡沫和UC18AMPM-CO2泡沫的稳定性可以通过加入NH3·H2O来控制。当向90 mL稳定的泡沫滴加0.4 mL NH3· H2O时,泡沫瞬间破灭。此外,稳定的泡沫用NH3· H2O消泡后,在80℃,3 MPa的高温高压CO2泡沫仪高速搅拌起泡,此起泡/消泡操作循环了5次,UC22AMPM的起泡性和稳泡性能仍然较好(Vmax=70 mL,t1/2=5418 s),只略低于原起泡剂(Vmax=90mL,t1/2=6960 s)。而在相同的条件下,UC18AMPM的起泡性却增加了(最大起泡体积从80 mL升到了100 mL),泡沫稳定性略有降低(泡沫半衰期从1734 s降到了1422 s)。  (4)UC22AMPM和UC18AMPM制备的泡沫的稳定性受表面活性剂浓度、温度、压力、盐度影响。表面活性剂浓度从0.1%增加到0.5%后,UC22AMPM和UC18AMPM的起泡性变化不大,而泡沫稳定性增加;温度升高,UC22AMPM和UC18AMPM的起泡性均增加,而泡沫稳定性急剧降低;压力升高有利于UC22AMPM和UC18AMPM的起泡性和泡沫稳定性;NaCl含量增加,UC22AMPM-CO2泡沫稳定性急剧降低,UC18AMPM-CO2泡沫则先升高再缓慢降低。
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