清华大学校优秀硕士论文全文欣赏

学术   2025-01-29 12:16   北京  







来源:学位与写作

编辑:学妹


本文发布获田欢欢导师王沫然教授授权。教务员刘金妹老师为刊发此文提供了协助。
田欢欢 (2018) 石油-盐水-岩石系统中离子改变润滑性的电动机理,清华大学工学硕士论文,导师,王沫然

硕士论文作者田欢欢,2015在清华大学获得工学学士学位,2015-2018师从清华大学王沫然教授攻读硕士学位。硕士论文工作揭示了油-盐水-岩石系统中离子改变润湿性的机理,提供了宏观尺度到分子尺度的新的理解。该研究工作对离子调配水驱等工程应用有一定的启发意义。田欢欢以第一作者身份在Journal of colloid and interface science, surface science report等国际期刊上发表五篇学术论文,硕士论文获得2018年度清华大学优秀硕士论文称号,毕业后在麻省理工大学获得博士学位。




摘要


石油-盐水-岩石系统的润湿性在水驱油、土壤有机污染修复等工业应用中起着 重要的作用。最近,大量实验结果表明盐水的离子成分对石油-盐水-岩石系统的润 湿性有显著影响,但是其机理仍不清晰。本文将采用宏观连续理论分析和分子动力 学模拟的方法,研究双电层作用、阳离子桥、水合排斥力等电动机理在离子改变润 湿性问题中发挥的作用。 
首先,基于经典双电层理论分析油-盐水界面及盐水-硅酸盐界面的带电性质, 采用压强积分法得到双电层相互作用能,并利用 Young-Dupré 方程分析双电层相 互作用能对润湿性的影响。重点讨论了三种边界条件下双电层相互作用能随界面 距离减小的收敛性,这在润湿性分析中非常重要。分析结果表明,过去文献中常用 的恒定电荷边界与恒定电势边界会导致非物理的双电层作用,而界面电荷调整边 界可以避免上述问题。进一步分析可知,仅当使用电荷调整边界且两个界面的总电 荷可正可负时,平衡水膜厚度几乎不影响平衡双电层相互作用能。在界面调整电荷 边界下,本文计算了两种典型的油-盐水-无定形二氧化硅系统的接触角随离子成分 的变化。该接触角变化结果略小于云母石表面的实验结果且远小于黏土表面的实 验结果,这种差别可能是由表面拓扑结构的影响导致的。 
为了进一步揭示双电层作用、阳离子桥、水合排斥对润湿性的作用机制,采用 分子动力学方法,模拟并分析了油-盐水-石英系统该在不同离子成分下的界面性质、 离子及基团分布和润湿性。模拟结果验证了三种电动机制的存在,并证明钾离子桥 较不稳定且在体离子强度很高或很低时几乎不存在,而钙离子桥存在的体离子强 度范围更广。接下来证明了这三种机制均对系统润湿性有重要影响,且在所研究的 算例中钙离子桥对润湿性的影响最强,双电层作用和水合排斥次之,钾离子桥最弱。另外,模拟结果表明去除高价离子比降低离子强度可以更有效地增强系统的亲水 性。 
本文为油-盐水-岩石系统中离子改变润湿性的机理提供了宏观尺度到分子尺度 的新的理解,对离子调配水驱等工程应用有一定的启发意义。 
关键词:润湿性;双电层相互作用;分子模拟;离子调配水驱

感谢王沫然教授从大二到硕士期间对我在科研方面的指导。王沫然教授指出了 我很多做科研的盲点和误区,令我能有更好的判断力,这对我之后的科研生涯很有 帮助。感谢王沫然老师课题组全体成员,尤其是电动小组的张力、Amer、杨元凯,及 多相小组的谢驰宇师兄与我关于硕士课题的讨论。感谢Jacob N.Israelachvili 教授,其著作 Intermolecular and Surface Forces 令我 在做硕士课题时受益匪浅。感谢国家自然基金项目(XXX,XXX)和国家油气重大专项 (XXX)的资金支持。
助理:小郭

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