抽象的gydF4y2Ba

本文介绍了高岭石细粒从硅/玻璃基板分离的实验室研究，模拟了在含水层中胶体和悬浮流动时粘土的释放。在附着过程中，粒子使细胞饱和直到完全稳定;此外，颗粒分离发生在分段恒定的流速增加过程中。从显微镜图像计算的分离数据与分离粒子的力和力矩进行了比较。在模型和实验室数据之间观察到定性一致。gydF4y2Ba

关键字gydF4y2Ba

胶体;悬架;粒子分离;机械平衡;超然造型;实验室研究;可视化;胶体运输;多孔介质gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

自然储层砂岩岩石表面的高岭石脱落发生在众多自然和技术过程中[1-3]。不完整的清单包括诸如含水层的胶水悬浮液，含水液，淡水储存，含水层和海洋的盐水交换，细菌，病毒和污染物的吸附在高岭土中，加强了冷水注射的地热项目。蒸汽/热水生产，高速生产粘性油和油田注水[4-8]。因此，在许多作品中已经研究了来自岩石表面的高岭石与岩石表面的分离，并且是当前持续研究的主题[9-11]。gydF4y2Ba

在大量的工作中，已经建立了带有粒子脱离的相悬浮胶体输运的数学模型[12-16]。已经推导出了几种精确的解，为室内岩心驱油的规划、设计和数据处理提供了简单的分析模型[17-21]。gydF4y2Ba

来自胶体-悬浮通量的颗粒由于尺寸排斥、应变、附着、扩散到死孔和重力分离而被岩石捕获。在本文中，我们讨论了粒子在静电力作用下的附着。在运动流体中附着的粒子受到阻力、静电、升力和重力的作用[22,23](图1)。阻力和升力使粒子分离，而静电和重力则使粒子附着。静电力和能量由范德华、双电层和博恩成分组成(图2)。大量的实验室研究在可见细胞中显示了细小的分离，并验证了力学平衡分离标准[5-8,12]。最近的一篇论文[24]提出了一项关于在变化速度、盐度和ph下可视化细胞中附着粒子提升的系统研究。这项工作介绍了相图，它允许在给定的温度、速度、盐度和ph下指示分离区域。该研究是使用胶乳颗粒附在玻璃/二氧化硅基板上进行的。gydF4y2Ba

图1:gydF4y2Ba细粉分离的扭矩平衡准则:分离阻力和升力的扭矩必须超过附着静电和重力的扭矩。gydF4y2Ba

图2:gydF4y2BaDLVO能量型材用于基材颗粒相互作用，a）试验1中附着的有利条件;b）测试2中依附的不利条件。gydF4y2Ba

在上述过程中，天然胶体悬浮液中的细颗粒为粘土和二氧化硅。最广泛使用的天然细粒是高岭石粘土。有几篇论文专门研究了高岭石在多孔介质中的运移[1-3,9-11]。然而，目前还没有高岭石剥离和运输的实验室可视化研究。gydF4y2Ba

目前的纸张填补了差距。我们研究了在不同速度，盐度和pH值下从二氧化硅基板的高岭石细粒的分离。观察到的罚款逐渐分离归因于多孔颗粒的不同尺寸。用于中等粒径的机械平衡条件的计算定性同意从实验室可视化测试中的分离观察。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

本节描述粒子，基质，盐水，实验室设置，和实验室调查的方法。更详细的描述可以从工作[24]中找到。gydF4y2Ba

底物、盐水、细颗粒gydF4y2Ba

固体基板是玻璃盖滑块(Ibidi, Martinsried, Germany)。固体基质先在丙酮中浸泡，再用乙醇和去离子水漂洗。此外，玻璃基板在室温条件下干燥48小时。gydF4y2Ba

用氯化钠溶解在去离子水中制备卤水。试验1使用pH值为3的盐水，试验2使用pH值为9的盐水。试验1的盐度为0.3M，试验2的盐度为0.1M -。gydF4y2Ba

颗粒为高岭石，粒径从0.5 μm到3.0 μm不等。德国)。gydF4y2Ba

实验装置gydF4y2Ba

所有主要设备的实验设置原理图如图3所示。使用电子注射器泵将盐水注入可视化单元。可视化细胞中附着粒子的照片是用配有照相机的光学显微镜拍摄的。照片通过图像处理软件image J进行处理。gydF4y2Ba

图3:gydF4y2Ba细粉分离的实验室设置示意图。gydF4y2Ba

实验方法gydF4y2Ba

最初，可视化细胞填充有盐水。然后将浓度为300ppm的胶体粘土颗粒注入可视化细胞中。E-5M / s的最低线性速度用于帮助罚款附着到固体基材上。注射1.5个细胞体积（PVS）后，停止流动，将胶体的细胞放置24小时，以达到附着在玻璃基板上的稳定颗粒层。周期性地进行，允许图像控制附着的颗粒稳定（图4.5）。连接完全饱和颗粒系统的初始状态称为步骤0。gydF4y2Ba

步骤1、2、…10对应的是分段递增的恒定速度。试验1的速度分别为2.94E-2 m/s、3.34E-2、3.38E2、4.46E-2、5.34E-2、6.53E-2、8.29E-2、1.12E-1、1.63E-1、2.78E-1和7.13e-1m/s。试验2的速度分别为2.66E-2m/s、3.1E-2、3.72E-2、4.66E-2、6.25E-2、9.47E-2、1.93E-1、2.27E-1、3.32E-1，第1、2、…gydF4y2Ba

图4和5中的图像呈现稳定的条件，其中通量不再从玻璃表面拆分颗粒。gydF4y2Ba

试验1采用以下条件:盐度为0.3M, pH为3。试验2中，盐度为0.1M, pH为9。gydF4y2Ba

理论gydF4y2Ba

假设在分离时刻，一个粒子围绕微凸体或相邻粒子或粒子-基底接触点旋转。图1显示了杠杆臂的阻力(ld)和ln的法向力，这是等于FgydF4y2Ba_egydF4y2Ba+ F.gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba- fgydF4y2Ba_lgydF4y2Ba，其中fgydF4y2Ba_egydF4y2BaFgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba和FgydF4y2Ba_lgydF4y2Ba分别为静电、重力和升力。目前用于预测细粒提升和动员的颗粒分离条件为[5-7,11-14]:-阻力和提升的分离力矩超过静电力和重力的附着力矩。gydF4y2Ba

-阻力超过由库仑摩擦系数μ的法向力引起的摩擦力gydF4y2Ba

- 勒梯超过静电和重力力gydF4y2Ba

满足剥离条件1、2和3，分别导致颗粒在表面滚动、颗粒沿表面滑动和颗粒从表面抬升。gydF4y2Ba

图2给出了静电能量分布图gydF4y2Ba与gydF4y2Ba颗粒与表面的分离距离h。静电力等于能量的负梯度:gydF4y2Ba

静电力/能量是范德华、双电层和玻恩斥力分量的总和。图2a给出了有利附着的情况，其中总能量势有一个最小值;这个案例对应于测试1。能量最小对应于静电力的消失:gydF4y2Ba

能量剖面V(h)从h开始gydF4y2Ba_米gydF4y2Ba到无穷有s形。因此，确实存在这样一个分离距离hgydF4y2Ba_{最大限度gydF4y2Ba}这对应于最大静电力。gydF4y2Ba

图2b为不利附着条件下，能量势有两个最小值的情况;这个案例对应于测试2。gydF4y2Ba

式1、2、3中的静电力Fe对应该静电力的最大值，其中对应的分离距离h=hm处于能量剖面V(h)的拐点处(图2a):gydF4y2Ba

对于不利的附接条件，对应于最大静电力的拐点位于相应的能量最小值点的右侧。gydF4y2Ba

图6和图7给出了归一化力矩，以及归一化水平力和垂直力的总和。负值对应于粒子脱离。这里用文献[13,14,24,25]中给出的公式计算了所有四种力。gydF4y2Ba

总静电力FgydF4y2Ba_egydF4y2Ba(h)计算为范德华、双电层和Born力的总和[22,23]。能量的公式gydF4y2Ba与gydF4y2Ba试验1和试验2的分离距离h分别如图3a和3b所示。紫色曲线、蓝色曲线和绿色曲线分别表示范德瓦尔斯曲线、双电层曲线和Born曲线对h的依赖关系。红色曲线对应于总能量剖面V(h)。计算表明，试验1中的附着发生在有利的条件下，即能量剖面有一个(主要)最小值。gydF4y2Ba

hm值对应于在固定流体中的分离距离。式(1)中速度的应用，对应的是离h的分离距离的运动gydF4y2Ba_米gydF4y2Ba在这里，h由扭矩平衡方程(1)决定。速度和阻力的增加导致静电吸引力F的增加gydF4y2Ba_egydF4y2Ba(h).当静电力平衡分离力矩达到F值时，粒子分离发生gydF4y2Ba_{最大限度gydF4y2Ba}，即分离距离达到h值gydF4y2Ba_{最大限度gydF4y2Ba}．在进行的实验室测试中，注入胶体的颗粒大小在某些限度内变化。因此，最大静电力也发生变化，导致粒子逐渐脱离。gydF4y2Ba

图2b给出了测试2条件下的能量剖面。附着条件是不利的-能量分布有两个最小值。一次最小值为深，二次最小值为浅。在试验饱和阶段的粒子分离过程中，一些粒子沉降到一次最小值，一些沉降到二次最小值。当分离距离h=h时，采用力学平衡式1gydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和h = hgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba分开。在不动流体中，分离距离hgydF4y2Ba_{1米gydF4y2Ba}和hgydF4y2Ba_{2米gydF4y2Ba}对应于能量极小值。应用速度移动hgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和hgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba从点h向右gydF4y2Ba_{1米gydF4y2Ba}和hgydF4y2Ba_{2米gydF4y2Ba},分别。粒子在一次极小和二次极小时所受的阻力、升力和重力是相同的。杠杆臂明显高于分离距离，并且在初级和次级最小值相等。因此，平衡分离力矩的静电力在两个极小值中是相同的。因此，能量分布的切线在点hgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba和hgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba是平等的。gydF4y2Ba

次级最小值与初级最小值相比是浅的。因此，二次极小值时的最大静电力要小于一次极小值时的最大静电力。因此，在某一速度下，静电力的最大值FgydF4y2Ba_{2马克斯gydF4y2Ba}将达到附着在二次最小值的颗粒，而主要最小值的静电力低于其最大值。因此，在具有顺序增加的流速的试验期间，首先是来自二次最小最小值的分离的颗粒，然后是来自主要最小值。最小最小值的最大静电力显着高于二次最小值，因此来自二次最小值的流速拆卸颗粒显着高于主要最小值。gydF4y2Ba

结果与讨论gydF4y2Ba

测试1中附着粒子在10个阶段的图像如图4所示。图5显示了来自测试2的图像。主要观察到的是在速度增加的过程中粒子逐渐脱离。颗粒大小在0.5 - 3.0微米之间变化。然而，公式1到3中的力和力矩对应的粒子半径中值为0.7微米。gydF4y2Ba

图4:gydF4y2Ba测试1中附加粒子的图像(步骤1到10)。gydF4y2Ba

图5：gydF4y2Ba测试2中附加粒子的图像(步骤1到10)。gydF4y2Ba

现在让我们通过关于粒子分离的数学建模的数据进行比较这些结果。图6和7分别呈现了归一化扭矩，归一化水平力和试验1和2的归一化垂直力的计算结果。蓝色曲线对应于动员颗粒的百分比，其在图6中以初始阶段以初始阶段的初始阶段增长至近百％。在图7中，动员颗粒的百分比从0〜60％变化。gydF4y2Ba

图6a和7a表示杠杆臂比为100时所有步骤的归一化扭矩，这是文献[26-28]中给出的一个典型值。颗粒通过滚动分离开始于归一化扭矩变为负的那一步，这是图7中测试1的步骤5和步骤7。在这两种情况下，分离粒子的数量占初始附着粒子的很大一部分。图6b和7b对应归一化水平力;计算了库仑分数系数μ=0.2。当水平力为负时，颗粒开始分离，如图6b中的步骤9所示;当水平力的符号发生改变时，就会发生大量粒子的分离。在图7b中，第9步中也发生了分离，也有相当一部分附着的颗粒已经分离。gydF4y2Ba

图6C中的归一化垂直力保持呈阳性，即升力不会在有利的情况下拆下粒度最小的颗粒。然而，在图7中，步骤6中的垂直力确实脱离颗粒。分离的颗粒已在二次浅最小值中附着。gydF4y2Ba

图6:gydF4y2Ba有利附着的机械平衡条件(试验1):a)标准化滚动力矩;b)归一化水平力;c)垂直力归一化。gydF4y2Ba

图7:gydF4y2Ba用于不利附件的机械平衡条件（试验2）：a）归一化轧制扭矩;b）归一化水平力;c)垂直力归一化。gydF4y2Ba

综上所述，我们在不改变盐水成分和分段恒定增加流速的情况下，在可视化单元中进行了两次流动试验。我们观察到随着流速的增加颗粒逐渐分离。实验中的每一步(速度)都应用了粒子的力学平衡。我们观察到，应用于平均粒径的分离标准对应于很大一部分颗粒的分离。gydF4y2Ba

方程(1-3)中的受力公式适用于球形颗粒，而高岭石颗粒可以近似为圆柱体或椭球体。利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)得到了适用于天然高岭石粘土的圆柱形和椭球形的相应公式。这项研究超出了目前工作的范围。gydF4y2Ba

粒子过度分布在脱离条件下产生力的分布[1-3]。图6和7中的逐渐脱离曲线在已知的粒度分布下，可以使用以确定基板表面上的粗糙度分布，如在工作中完成[24]。这也是研究的下一步。gydF4y2Ba

基于平均尺寸的球形颗粒计算扭矩和力的目的不是为了匹配图6和图7中的分离蓝色曲线。计算的目的是找出在标准1、2和3给出的典型值处是否发生粒子脱离。事实上，分离浓度曲线和机械平衡条件之间的比较，产生了大量附着粒子的分离。它允许用力学平衡标准定性地解释高岭石颗粒脱离。我们预计，考虑到粒径分布和高岭石形状，并使用更复杂的数学模型(如文献[29-32]所述)，可以较高精度地拟合分离浓度曲线gydF4y2Ba

结论gydF4y2Ba

实验室对粒子从固体基体脱离的可视化研究及其基于附着粒子的力学平衡的数学模型允许得出以下结论。gydF4y2Ba

在分段匀速增加的过程中，我们实验中的粒子逐渐分离，而式(1)表示附着在理想平面基底表面的所有单体粒子同时分离。逐渐分离可以用粒子在半径上的分布来解释。基于平均颗粒半径计算的力学平衡条件定性地反映了大于平均粒径的颗粒脱离，而较小的颗粒仍然附着。这使得实验室观测结果与数学模型的定性一致成为可能。上述结果对应于有利和不利脱附情况下的细粒脱附。gydF4y2Ba

第一次试验在高盐度、低pH (0.3M, pH3)下进行，第二次试验在低盐度、高pH (0.1M, pH9)下进行。因此，第一次试验表现出高的静电吸引，对应于深度单次能量最小值。与之相反，弱静电吸引引起两个能量极小值，次级最小值较浅。强静电引力不会使粒子通过升力脱离(图6c)，而弱静电引力会使很大一部分粒子被提升(图7c)。gydF4y2Ba

粒子在不利条件下的更强烈的分离归因于浅层二次能量最小。测试2结束时剩余的粒子处于初级最小值。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

作者非常感谢契克博士和恩格斯博士。M. Naby和M. Hussaini的支持和富有成果的讨论。gydF4y2Ba

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文章类型：gydF4y2Ba研究文章gydF4y2Ba

引用:gydF4y2Ba(2014)高岭石从二氧化硅衬底剥离的实验研究。国际给水排水6(3):dx.doi.org/10.16966/2381-5299.174gydF4y2Ba

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收到日期:gydF4y2Ba07年11月,2020年gydF4y2Ba

接受日期:gydF4y2Ba2020年11月17日,gydF4y2Ba

发表日期:gydF4y2Ba2020年11月24日,gydF4y2Ba