本文采用問答的形式對(duì)界面張力儀的一些技術(shù)要點(diǎn)、測(cè)試原理進(jìn)行了比較粗淺的說明。界面張力測(cè)值技術(shù)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直被用戶所忽視,在本文中,我們進(jìn)行了一部分澄清,希望對(duì)用戶有所幫助。
1、界面張力儀與表面張力儀一樣嗎?有何區(qū)別?
通常而言,界面張力儀可以用來測(cè)試表面張力和界面張力值。但反之,表面張力儀不一定可用于測(cè)試界面張力值。這里存在兩個(gè)概念:其一、表面張力通常特指液-氣之間的界面張力值,而界面張力儀中的界面張力通常指液-液界面張力值,有時(shí)也會(huì)涉及到液-液-氣(高溫高壓條件下)的界面張力值。因而,表面張力值通常高于16mN/m,而界面張力有時(shí)會(huì)低到0.0001mN/m甚至更低。因而,界面張力儀的要求會(huì)比較多,表面張力儀的要求會(huì)比較少一些。其二、表面張力測(cè)試和界面張力測(cè)試所用的技術(shù)差別非常大。表面張力測(cè)試通常采用的技術(shù)為白金板法和白金環(huán)法,而界面張力測(cè)試除了以上兩種方法外,有效的方法是懸滴法、約束停滴法和旋轉(zhuǎn)滴法等。綜合而言,表面張力儀與界面張力儀存在很大不同。
另一方面,表面張力儀通常特指稱重原理的表面張力儀,主要為白金環(huán)法和白金板法的表面張力儀。目前,白金環(huán)法的表面張力儀通常是作為白金板法表面張力儀的附屬配件被銷售。而白金板法的表面張力儀為目前市場(chǎng)的主流。白金板法的表面張力儀目前分為兩類,一種是經(jīng)典的基于零浮力的算法和基于Young-Laplace方程修正法的。經(jīng)典白金板法與白金環(huán)法的修正均以零接觸角值為前提條件。但是事實(shí)上,在界面張力測(cè)試時(shí),接觸角的變化范圍非常大,約為29-129度,因而,零接觸角的假設(shè)在此兩種方法是無效的。所以,除基于Young-Laplace方程修正法的表面張力儀外,其他方法用于測(cè)試界面張力值時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏低現(xiàn)象。具體可用苯與水的界面張力值作為驗(yàn)證(20度,界面張力值為35mN/m)。
因而如果想測(cè)試界面張力值時(shí),的儀器并非是白金板法或白金環(huán)法的表面張力儀。同時(shí),稱重原理的表面張力儀如標(biāo)稱界面張力儀,嚴(yán)格意義會(huì)產(chǎn)生一定的誤解。
2、哪種界面張力儀更適合用于測(cè)試含表面活性劑的油水界面張力值?
由于接觸角、浮力影響以及變化范圍更大,油水界面張力,特別是含有表面活性劑的油水界面張力的測(cè)值,動(dòng)態(tài)界面張力值等變得非常困難。目前,測(cè)試界面張力值的方法包括了懸滴法、停滴法、旋轉(zhuǎn)滴法和白金板法、白金環(huán)法。結(jié)合應(yīng)用來看,白金板法測(cè)試效果略好于白金環(huán)法,但測(cè)值結(jié)果很容易偏低。如果僅是考察相對(duì)值變化或重復(fù)性測(cè)試,可以考慮白金板法,其穩(wěn)定性會(huì)非常好。但如果想得到比較好的值,懸滴法和停滴法優(yōu)于旋轉(zhuǎn)滴法,旋轉(zhuǎn)滴法優(yōu)于白金板法。理由為,懸滴法和停滴法更適合于作飽和操作,而其他方法均無法有效的實(shí)現(xiàn)飽和處理。懸滴法低可測(cè)試界面張力值可達(dá)0.1mN/m,約束停滴法低界面張力測(cè)值可達(dá)0.0001mN/m,可適用于很大范圍的測(cè)值。且這兩種方法均可實(shí)現(xiàn)超高溫、超高壓、真空等條件下的界面張力測(cè)試。
特別值得得出的是,懸滴法可以完成動(dòng)態(tài)界面張力(表面活性劑在界面吸附)的測(cè)試。采用高速攝像機(jī)和壓力傳感器,滴出水滴到油相時(shí),則可以完成非常高精度的Dead time和bubble life測(cè)試。目前僅美國(guó)科諾的接觸角儀SL200K和C60系列可以提供相應(yīng)的配件。
旋轉(zhuǎn)滴法界面張力儀可以測(cè)試超低界面張力值,但由于其精度一般,因而通常應(yīng)用于三次采油的分析。目前,美國(guó)科諾發(fā)明的超高壓、高溫旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀解決了模擬井下作業(yè)環(huán)境時(shí)的界面張力測(cè)試,其技術(shù)在界面張力測(cè)試領(lǐng)域是世界的。
3、選購(gòu)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的要注意哪些方面?
旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的選購(gòu)主要應(yīng)注意:(1)溫度控制技術(shù)采用何種技術(shù)?(2)溫度控制范圍?(3)電機(jī)的控制方式?(4)樣品管的材質(zhì)與密封結(jié)構(gòu)?(5)軟件算法?
(1)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制控制技術(shù):溫度控制技術(shù)目前主要有三種,控制樣品管所在位置的空氣的溫度(氣熱式)、控制加熱源的溫度(目前主流)以及控制樣品管所在油環(huán)境的溫度(德國(guó)Kruss)。從效果來看,控制樣品管所在位置油的溫度的效果。但其缺點(diǎn)在于維修與清洗樣品管非常不方便,易漏液,不易注入原油樣。因而,氣熱式溫控技術(shù)是目前世界的溫控技術(shù)。
(2)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制范圍:溫度控制范圍由儀器使用者的測(cè)試需求所決定。如中國(guó)大部分地區(qū)的油田需求為80度以內(nèi)即可,但有的地區(qū)深井作業(yè)時(shí),需要溫度會(huì)高于90度,此時(shí)對(duì)于儀器的要求就相對(duì)較高。90度以上時(shí),旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制技術(shù)目前只有氣熱式是的,如果只控制加熱源的溫度(非科諾產(chǎn)品),那么樣品管的溫度與目標(biāo)需求溫度差距將非常大。具體可以采用將樣品管加熱后等10分鐘后再拿出測(cè)試手感溫度,通常非氣熱式的溫控技術(shù)時(shí),樣品管的溫度遠(yuǎn)沒有達(dá)到90度。而如果要求溫度高于100度,則需要的高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。
(3)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的電機(jī)控制方式主要是指電機(jī)是直流有刷電機(jī)還是直流無刷電機(jī)。直流有刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于成本低,但是缺點(diǎn)非常明顯,控制精度不高,壽命比較短;但直流無刷電機(jī)由于取消了碳刷,壽命會(huì)非常長(zhǎng),讀值精度真正可達(dá)0.1RPM,但價(jià)格相對(duì)比較高。
(4)旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的樣品管材質(zhì)與密封結(jié)構(gòu):旋轉(zhuǎn)滴樣品管目前美國(guó)科諾采用了藍(lán)寶石和石英玻璃兩種材質(zhì)。這兩種材質(zhì)無論在透光率、均勻度以及折射率等方面均保持了的性能。部分儀器廠商提供了普通硅酸鹽玻璃,透光率差、均勻度差且防爆性能差、耐溫與耐壓性能差。玻璃玻璃管是已經(jīng)被淘汰的技術(shù)。密封結(jié)構(gòu)主要分為三類:一端開口的樣品管,兩端開口自密封樣品管和動(dòng)態(tài)密封樣品管。從技術(shù)上來看,動(dòng)態(tài)密封樣品管技術(shù),一端開口樣品管差。但從實(shí)際應(yīng)用來看,兩端開口樣品管更易清洗(超聲波清洗+機(jī)械清洗均可)、更易裝入原油樣、更易排氣因而是旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的技術(shù)。
(5)軟件算法:旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀形成的液滴的外形輪廓事實(shí)上是符合Young-Laplace方程的,因而是可以通過Young-Laplace方程擬合技術(shù)計(jì)算得到界面張力值的。目前,該算法由美國(guó)科諾授權(quán)上海梭倫在中國(guó)地區(qū)申請(qǐng)了發(fā)明,已經(jīng)獲得授權(quán)。而事實(shí)上,在算法上,可以有一種更方便的測(cè)試方法,這種方法需要結(jié)合樣品管粗細(xì)配合的方法測(cè)得,即,不同表面或界面張力值的樣品采用不同的內(nèi)徑的樣品管測(cè)試,并盡量形成長(zhǎng)比寬大于1.5倍的液滴。此時(shí),無須Young-Laplace方程擬合技術(shù)也可以完成測(cè)試。但這種方法對(duì)于0.01mN/m以下的樣品的界面張力值需要進(jìn)行離心力修正。因而,基于離心力修正的簡(jiǎn)化的馮格內(nèi)特法對(duì)于旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀而言是方便和實(shí)用的軟件算法。但精度更高的算法為Young-Laplace方程擬合法。
4、高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀與高溫高壓接觸角和界面張力儀的區(qū)別主要有哪里?
高溫高壓旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀可以完成超低界面張力測(cè)試,而高溫高壓接觸角和界面張力儀由于采用了懸滴法(pendant drop method)和停滴法(Sessile drop method),目前無法用于測(cè)試低于0.0001mN/m的界面張力值。在具體應(yīng)用時(shí),兩者各有優(yōu)勢(shì)。高溫高壓接觸角儀在應(yīng)用時(shí),特別適用于測(cè)試潤(rùn)濕角反轉(zhuǎn)應(yīng)用,但目前提供多點(diǎn)測(cè)試技術(shù)的高溫高壓接觸角儀僅僅只有美國(guó)科諾工業(yè)有限公司的儀器。如果僅提供單點(diǎn)測(cè)試,即一次只能滴出一液滴,再滴液滴則由于在同一位置點(diǎn)滴出而不能形成新液滴。所以,在高壓接觸角測(cè)試時(shí)的技術(shù)核心在于移動(dòng)巖芯。高溫高壓接觸角儀及界面張力儀的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于可以測(cè)試高溫高壓條件下的動(dòng)態(tài)界面張力值,以不同的速度滴出液滴并采用高速相機(jī)拍攝下來界面張力的變化,就可以測(cè)得相應(yīng)條件下的液滴的死時(shí)間(Dead time)和液滴壽命(或氣泡壽命 bubble life)。
5、界面張力儀測(cè)試油水界面張力時(shí)是否可以控制溫度?
可以控制溫度。溫控技術(shù)包括恒溫水槽技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù),半導(dǎo)體技術(shù)更利于界面張力儀測(cè)試油水界面張力。目前,半導(dǎo)體技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的溫度控制范圍為-20-200攝氏度,精度可達(dá)0.1度。具體可與美國(guó)科諾或上海梭倫的應(yīng)用工程師。如上界面張力控制范圍同樣適用于旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀。目前,商業(yè)化的旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的溫度控制通常只有加熱,制冷的技術(shù)目前僅半導(dǎo)體技術(shù)會(huì)更好,但必須結(jié)合旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀的轉(zhuǎn)軸技術(shù)和氣熱式溫控技術(shù)才能夠更的控制溫度。
6、界面張力儀采用懸滴法測(cè)試油水界面張力需要哪些配件或特殊的裝置?
采用懸滴法測(cè)試油水界面張力值需要用到的配件包括:U形針頭、平尖針頭、聚四氟針頭以及石英玻璃方缸。如果需要控制溫度時(shí),需要采購(gòu)相應(yīng)的恒溫樣品池或控溫機(jī)構(gòu)。
7、界面張力儀中懸滴法及停滴法測(cè)試油水界面張力的軟件算法有哪些?
目前,懸滴法和停滴法測(cè)試界面張力值的軟件算法主要有四個(gè)。基于BA表查表法(目前中國(guó)的軟件只能提供本算法)、基于Select plane算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)(國(guó)外主要儀器廠商均采用本算法)、ADSA-P(A.W.Neumann)以及基于ADSA-RealDrop算法的Young-Laplace方程擬合技術(shù)(上海梭倫發(fā)明技術(shù))。其中,Select plane算法由于商業(yè)化的儀器中主要采用了本算法,應(yīng)用得比較多。但是這個(gè)算法主要被應(yīng)用于測(cè)試超疏水條件下的接觸角值為主。學(xué)術(shù)上目前應(yīng)用得多的是ADSA-P算法。ADSA-RealDrop算法基于ADSA-P算法,采用二次求解Young-Laplace方程算法,相對(duì)于ADSA-P算法的頂點(diǎn)曲線半徑經(jīng)驗(yàn)假設(shè)而言,科學(xué)性以及可靠性均有了提升。
8、如何標(biāo)定光學(xué)法接觸角和界面張力儀以及旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀?
標(biāo)定光學(xué)法接觸角和界面張力儀主要采用紅寶石標(biāo)定球,旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀采用陶瓷、紅寶石或不銹鋼標(biāo)定尺均可。但紅寶石標(biāo)定石的精度高。同時(shí),在標(biāo)定時(shí),建議采用粗的標(biāo)定尺,建議直徑1mm或1.5mm即可。
9、界面張力儀測(cè)試是否需要清洗測(cè)試樣品管和針頭?如何判斷是否清洗干凈?
界面張力儀采用懸滴法或停滴法測(cè)試油水界面張力或液氣表面張力值同樣需要清洗針頭和樣品管??梢圆捎贸暡ㄇ逑礄C(jī)洗機(jī),并用蒸餾水進(jìn)行抽拉式二次洗洗。后再用蒸餾水測(cè)值判斷是否清洗干凈。
10、懸滴法及停滴法界面張力儀測(cè)值時(shí)注意事項(xiàng)有哪些?
(1)標(biāo)定是關(guān)鍵的。一定要采用紅寶石標(biāo)定球進(jìn)行標(biāo)定。盡量不要采用針頭標(biāo)定的方式。
(2)一定要用采用彩色相機(jī),此時(shí)的邊緣成像清晰度更高,精度更準(zhǔn)。
(3)一定要進(jìn)行清洗,特別是針頭部分的清洗以及測(cè)試完表面活性劑后的清洗。
(4)停滴法在測(cè)試界面張力值時(shí)并非標(biāo)準(zhǔn)的接觸角測(cè)試的停滴法,我們采用的方法是約束停滴法,需要專門的平尖頭針頭,且是四氟材質(zhì)或不銹鋼材質(zhì)的。
(6)在有條件時(shí)盡量控制溫度后測(cè)試油水界面張力值。
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