通过部分混相发现一种新的液-液界面变形

时间:2020-01-28 18:39 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

通过部分混相发现一种新的液-液界面变形

日本东京农业技术大学(TUAT)、印度IIT Ropar大学(Japan)、大阪大学(Japan)的国际合作小组发现,“部分混溶性”(两种液体不能完全混合,溶解度有限)能够使液-液界面变形。这种界面变形是由可溶物质之间的相分离驱动的自发运动引起的,是一种具有无限溶解度的完全混合(完全混溶)或不溶溶(几乎)不混溶的现象。

研究人员于2019年10月29日在《物理评论》杂志上发表了他们的研究结果。

通过注入另一种液体来将一种液体置换到多孔介质中的过程,在化学反应和分离过程中,以及在提高石油采收率和二氧化碳封存中都是很重要的。特别是当粘性较低的流体取代粘性较大的流体时,两种流体之间的界面在流体动力学上变得不稳定,并呈指状变形。这种现象被称为“粘性指进”,自20世纪50年代以来一直作为流体动力学问题进行研究。现在,众所周知,这两种流体的性质传统上可以根据它们是完全混相还是不混相来分类。另一方面,当较粘稠的流体取代较粘稠的流体时,无论这两种流体是完全混相还是非混相,界面都会稳定地扩散。

“人们早就知道,在高压条件下,如采油和二氧化碳储存,两种流体在地下过程中是部分可混溶的,”那松博士说。他是这篇论文的通讯作者,也是图阿特大学化学工程系的副教授。然而,在部分可混相体系中,复杂的界面动力学的低估还没有得到很好的研究。其中一个原因是,迄今为止,流体驱替研究主要是由流体力学研究人员进行的,他们没有找到在室温和大气压下部分可混溶的实验系统。”

研究小组成功地改变系统的溶混性完全混相,非混相,和部分混合粘度变化不大的高粘度或低粘度液体在室温和大气压力通过使用一个水相系统组成的聚乙二醇(PEG),硫酸钠、水和盐(硫酸钠)通过改变浓度(见Fig.)。

“我们发现,当两种液体部分可混溶(见图c)时,在模拟多孔介质中流动的氦-肖细胞(图b)中,更粘稠的液体取代了更粘稠的液体,出现了一种新的界面变形(见图c)。这是非常反直觉的,因为在这种情况下没有发生变形,当两种流体完全混相或不混相(图b)。

“我们的结果表明,液体的部分混相对界面流体动力学的影响并不处于完全混相和不混相之间,而是具有完全不同的性质。”我们强调,这将开辟一个新的跨学科研究领域,涉及到流体动力学和化学热力学。此外,在多孔介质中发生的部分混相驱替发生在地层的采油过程和向地层注入二氧化碳的过程中,因此,我们的发现将有助于提高这些过程中现象预测的准确性,”永松补充道。

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