Определение низких значений межфазного натяжения с помощью тензиометра вращающейся капли SVT DataPhysics Instruments

Определение низкого и сверхнизкого значений межфазного натяжения привлекает все большее внимание в связи с важностью применения, например, для повышения нефтеотдачи и разработки новых ПАВ. Как известно, межфазное натяжение жидкостей может быть определено путем оптического анализа формы капли методом висящей капли или с помощью тензиометра с пластиной Вильгельми или кольцом Дю-Нуи. Однако, низкое межфазное натяжение не может быть корректно измерено с помощью этих методов. Для определения от низких до сверхнизких значений межфазного натяжения между жидкостями DataPhysics Instruments разработала тензиометры вращающейся капли SVT (рис. 1), которые гарантируют эффективную процедуру измерения, а также высокую точность и воспроизводимость результатов измерений.

Оборудование и метод измерения

Видеотензиометры вращающейся капли серии SVT – это специализированные оптические приборы для измерения очень низких значений межфазного натяжения и реологических свойств поверхности раздела фаз. Этот метод измерения предлагает широкие возможности для анализа эффективности ПАВ при разработке эмульсий и повышении нефтеотдачи пластов. Метод основан на анализе оптического контура капли. Как показано на рис. 2, капля находится внутри вращающегося капилляра, вместо того, чтобы висеть на дозирующей игле и подвергаться воздействию гравитации.

За счет вращения измерительного капилляра жидкости разделяются в зависимости от их плотности. Более плотная жидкость будет выталкиваться из центра капилляра, а менее плотная жидкость образует каплю на оси вращения.

Удлинение капли зависит от межфазного натяжения между жидкостями. Чем ниже межфазное натяжение, тем более вытянутая форма капли, чем выше межфазное натяжение, тем более центрированная и округленная капля. При увеличении скорости вращения капля легкой фазы становится плоской из-за высоких центробежных сил, действующих на плотную жидкость. Таким образом, капля деформируется цилиндрическим образом и ее межфазная площадь увеличивается. Межфазное натяжение сопротивляется этому увеличению площади, поэтому оно определяется путем анализа равновесной формы капли. В сочетании с программным обеспечением SVT определение низкого и сверхнизкого межфазного натяжения и реологических свойств поверхности раздела фаз может быть измерено эффективно, надежно и воспроизводимо.

Поэтому, с помощью тензиометра вращающейся капли SVT в данной статье было определено межфазное натяжение раствора ПАВ и органического масла.

Эксперимент

В начале каждого измерения сначала в капилляр заливается раствор ПАВ (тяжелая фаза). При заполнении капилляра важно следить за тем, чтобы в капилляре не образовывались пузырьки воздуха. Для обеспечения закрытия капилляра без пузырьков воздуха был разработан специальный механизм закрытия. Через отверстие шприца внутри винтового крана можно добавлять органическое масло (легкая фаза). Отметим, что объем органического масла не должен превышать нескольких микролитров, чтобы капля расположилась по центру капилляра.

После успешной подготовки капилляра он легко фиксируется в измерительной ячейке благодаря механизму быстрого закрытия.

Для проведения измерений камера должна быть сфокусирована на вращающейся капле. Поэтому необходимо подобрать подходящее увеличение. Благодаря автоматическому и программно-управляемому наклону измерительной ячейки, капля будет удерживаться в неподвижном положении. Кроме того, капля может автоматически удерживаться в центре камеры благодаря автоматическому распознаванию формы капли и движению камеры в зависимости от ситуации для компенсации эффекта дрейфа капли. Благодаря стабильной форме капли, программное обеспечение способно автоматически определять увеличение камеры путем соотнесения расстояния движения камеры и количества пикселей изображения.

Изменение скорости вращения капли может влиять на удлинение капли. Форма капли становится более цилиндрической при высоких скоростях вращения. Различные формы капель для системы ПАВ-масло при скоростях вращения 6000 и 10000 об/мин показаны на рис.3 и рис.4. Программное обеспечение позволяет рассчитать межфазное натяжение между фазами по участкам изображения. Если вытянутая капля больше, чем отображаемый участок капли, можно рассчитать межфазное натяжение, анализируя левый и правый концы капли, или даже цилиндрическую среднюю часть капли на соответствующих участках изображения.

Кроме того, скорость вращения капилляра должна быть достаточно высокой, чтобы влияние силы плавучести на форму капли было незначительным. Зная скорость вращения и данные жидкости, таки как плотность и коэффициент преломления, можно рассчитать межфазное натяжение с помощью различных теорий расчетов.

Результаты

Измерения проводились при 6000 об/мин и контролируемой температуре 25 °C. Форма капли была записана 150 раз и полученное межфазное натяжение жидкостей было рассчитано с помощью различных методов «Кайяса, Шехтера, Уэйда (КШУ)», «Янга-Лапласа» и «Воннегута». Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Межфазное натяжение между поверхностно-активным веществом и маслом, рассчитанное по различным методам.

Как видно из таблицы 1, межфазное натяжение жидкостей практически одинаковое для трех различных методов расчета. Различия значений межфазного натяжения по трем методам расчета находятся в пределах погрешности, определяемые стандартным отклонением. Таким образом, тензиометр вращающейся капли SVT подходит для анализа межфазного натяжения от низких до сверхнизких значений с высокой точностью и воспроизводимостью.

Выводы

Используя тензиометр вращающейся капли SVT DataPhysics Instruments, можно легко и надежно определить низкое межфазное натяжение между ПАВ и маслом. Таким образом, метод вращающейся капли обеспечивает быстрый и эффективный способ определения низкого межфазного натяжения между жидкостями с высокой воспроизводимостью. Данный метод является важным инструментом для повышения нефтеотдачи пластов и анализа эффективности ПАВ при создании эмульсий.