摘要：分散在油水界面上的胶体粒子既可应用于乳液的稳定和分散，还可作为二维模型体系来研究凝聚态物理中的问题，例如二维挤阻转变。深入理解粒子在界面上的行为以及阐明界面粒子间的相互作用是实施相关应用或开展相关基础研究的前提。但至目前为止，对胶体粒子在界面上的行为的理解还存在许多不足，许多科学问题亟需阐明。在本研究计划中，我们结合了多种基于显微成像的先进技术，包括亮场成像和粒子追踪技术、高速转盘共聚焦成像、激光扫描共聚焦成像、显微微注射以及显微微电泳等技术，对分散在油水界面上胶体粒子的行为进行了系统的研究。我们的研究发现当胶体粒子在界面分散时，粒子在接触界面的瞬间因界面张力会导致粒子沿界面高速喷射；在此自发过程中，粒子与界面的摩擦将产生电性为负的剩余电荷并累积在浸没于油相中的粒子表面上。且这些剩余电荷不能长时间稳定存在，它们会随着时间的流逝在几小时内逐渐消失。失去剩余电荷保护的胶体粒子间的排斥作用将大幅减弱，在水相有一定浓度电解质存在的情况下，界面粒子将产生不可逆的聚集。基于摩擦起电这一物理现象，我们还建立了模型并对剩余电荷产生和消除的过程进行了量化。值得指出的是：我们的系统研究显示出胶体粒子因摩擦界面产生电荷，以及摩擦电荷的消除是相当普遍的现象，所以该机制的阐明对许多研究具有广泛的意义。同时利用我们的方法人们可在流体界面上实现对绝缘的生物大分子（如DNA,蛋白质或病毒颗粒等）的“充/放电”。 2100433B

软物质的挤阻转变是一个结合了高分子软物质和凝聚态物理的最新研究方向。目前，理论计算和模拟与宏观实验（如流变）结果之间无法衔接。因此，需要一个可直接观测系统微观状态的实验研究，利用统计微观结构的方法去揭示转变的机制。另外，目前的实验均使用较大的粒子，因此热能量贡献甚微（即：近似无热运动或绝对零度）。针对这两点，本研究拟采用束缚在二维油水界面上可调控相互作用的高分子软胶体小粒子，结合具高时空分辨率的显微拍照和图像追踪实验手段，直接获取体系在有限温度下、挤阻转变前后的动态和静态微观结构，从而揭示挤阻转变前后系统宏观性质变化的微观机制。并探索热扰动对微观堆积和宏观性质的影响，填补该方向上实验研究的相对空白。此外，这种基于直接测量系统微观结构的方法和其所给出的统计结果可直接验证理论计算和模拟中有关软粒子在二维空间中随机和非随机堆积的重要结论，从而可进一步在机制上阐明随机和非随机挤阻转变之间的异同

油水界面

( WOC、oil aqueous interface)

在油藏中，由于流体的分异调整作用，石油占据油藏的高部位，水体则位于油藏的底部或边部。石油与水体之间的接触面，即称为油水界面

油水界面为圈闭中油与水的分界面，一般用符号WOC表示。2100433B

能确定污油水舱柜内或其他舱柜中的油水界面的仪器。

中文名称

油水界面探测器

英文名称

oilwater interface detector

定　　义

能确定污油水舱柜内或其他舱柜中的油水界面的仪器。

应用学科

船舶工程（一级学科），船舶机械（二级学科）

胶体是具有1nm到1μm粒径，像粘土一样很难自然沉降的微粒子。在水中通常带负电。因此胶体粒子间由于静电斥力的作用，不会发生聚合。

原水预处理絮凝

絮凝是加入絮凝剂中和胶体粒子表面的电荷，使得胶体粒子间的排斥力变弱，最终导致微粒子之间变的更容易聚集。絮凝通过以下三个方式起作用：

（1）胶体间的引力和反作用力；

（2）粒子和粒子的接触、冲撞；

（3）化学作用（金属氢氧化物的溶解度）。

多数常用絮凝剂与水中的碱成分反应易生成金属氢氧化物，如果加入絮凝剂的量过多，会导致生成的氢氧化物析出并对膜元件造成污染。常用絮凝剂见右图表格。

影响絮凝的因素，除了絮凝剂的注入量以外，还有pH 值、搅拌条件、共存离子以及水温等。在实际设计中，必须预先对这些絮凝条件进行预测。最适合的条件要用测试器进行测试，由生成的絮凝体特性状态决定设计条件，当然最终还需要用实际的溶液来决定确切的絮凝条件。

原水预处理介质过滤

按照过滤的速度可分为缓速过滤和急速过滤两个大类。右图中列出了不同过滤方式的不同特征：介质过滤可以有效的去除反渗透和纳滤给水中的悬浮物，降低浊度和SDI 值。仅靠絮凝、砂滤无法把原水中的粒子有效捕捉时，还可以配合使用絮凝沉淀和气浮组合。但是，添加过滤辅助药剂或者絮凝剂，有可能会导致反渗透和纳滤膜污染。因此需要做小型烧杯实验，以确认药剂的添加是否对反渗透和纳滤系统有影响。

在选择滤速时，依据原水水质的不同可以有所变化。通常对于地下水水源，由于水中的胶体、悬浮物含量较少，可以选择较高的滤速；对于污染较严重的地表水，滤速的设定一定不能太高，以免对反渗透和纳滤系统造成严重污染

从工程实际经验上，对于受污染的地表水，过滤速度应尽量小于8 米/小时，有条件的可以接近6 米/ 小时，最高也不要超过10 米/小时。

原水预处理活性炭

活性炭可以用来吸附溶解性有机物以及游离氯和臭氧等氧化剂，用活性炭作为反渗透和纳滤膜系统的预处理已经被广泛使用。通常被采用的活性炭有两种类型：

颗粒活性炭（Granular Activated Carbon，缩写：GAC）

粉末活性炭（PowderedActivated Carbon，缩写：PAC）

他们的特征如右图所示：

原水预处理微滤和超滤

微滤（MF）和超滤（UF）是近几年才大规模应用的反渗透和纳滤预处理工艺。 同絮凝、沉淀以及砂滤比较，其过滤的水质稳定、设备管理比较简单，也不会产生过滤残渣或絮凝污泥等废弃物。

作为预处理，微滤和超滤膜的使用几乎可以完全去除不溶解的物质，降低颗粒物的污染风险，使得反渗透的设计水通量可以适当增加约10 – 20 %。但是微滤和超滤也不能包治百病，并非采用了微滤和超滤就可以排除一切对反渗透和纳滤产生污染的物质。

一方面是由于微滤以及用于反渗透和纳滤预处理的超滤膜都属于筛分过滤，过滤孔径大约在0.02 – 0.05 微米之间，虽然大部分不溶解的物质都会被截留，但是很多溶解在水中的有机物同样会对反渗透和纳滤系统产生污染，而这恰恰是微滤和超滤预处理不能解决的。

另一方面，微滤和超滤预处理系统经常要伴随着药剂的加入，例如：絮凝剂、阻凝剂、氧化剂、酸和碱等，这些化学物质有可能在微滤和超滤的产水中存留，进而导致反渗透和纳滤膜的污染和劣化。其中尤其要注意的是絮凝剂和氧化剂，从目前大量的双膜法（MF/UF RO）案例来看，大多数微滤和超滤系统会在线投加絮凝剂，种类以铁盐和铝盐为主，这是为了在原水中造成微絮凝以提高微滤和超滤的产水水质，部分絮凝剂未能充分反应并透过微滤和超滤膜进入产水侧，由于在产水水箱中有一定的停留时间，导致这些透过的絮凝剂发生二次絮凝，这对反渗透和纳滤膜会造成严重的污染。

氧化剂的投加主要是为了杀灭水中的微生物，在微滤和超滤的反洗步骤中也经常使用，但是残留的氧化剂如果没有充分的还原，就会造成反渗透和纳滤膜的氧化，导致不可恢复的破坏。

因此，在选择微滤和超滤作为预处理时，一定要严格控制药剂的投加量、严格按照微滤和超滤制造商提供的设计参数设计，虽然微滤和超滤系统自动化程度高、运行操作简单，但也同样要做好维护工作，确保系统稳定的运行。

原水预处理保安过滤器

通过预处理的水在进入反渗透和纳滤系统之前通常会设置5 μm 左右的保安过滤器，这是为了防止管路和中间水箱带入污染物。需要注意的是保安过滤器可能会成为微生物污染的发生源，保安过滤器同样需要定期清洗和杀菌。

原水预处理除铁锰

在有的井水中含有还原态的Fe2 和Mn2 。这种水在氧化后或者当水中的氢氧根超过5 mg/L 时，Fe2 会转变为Fe3 ，生成胶体的氢氧化物。

4 Fe（HCO3）2 O2 H2O → 4 Fe（OH）3 8 CO2

铁比锰更容易造成反渗透和纳滤膜的污染。用反渗透系统来处理这样的水时，重要的是不要接触空气。在进入反渗透装置前对原水进行氧化，然后使用过滤器脱除，也可以防止铁和锰带来的污染。 对铁和锰的进水要求可参见预处理方法目录下的“RO和NF系统进水水质要求”表格。