界面化学及其在EOR中的应用针对石油开采中涉及的界面化学现象及基础知识,探讨了界面化学理论在提高石油采收率(EOR)技术中的应用问题,系统论述了包括界面张力、吸附及电现象等在内的界面性质,以及表面活性剂、双亲分子、乳状液和泡沫等体系的基本性质、组成特点及其在提高石油采收率过程中的应用原理和发展方向。其中与油水性质密切相关的内容包括液体表面张力、油水界面张力、油水在岩石孔隙中的毛细管力、油水在岩石表面的润湿性、液/固吸附、扩散双电层、表面活性剂及其微乳液、乳状液及泡沫稳定性等。

第一章绪论
物相聚餅纵横交错，构成了物质世界的-个组成部分。界面广泛存在于物质世界中，界面性质的变化及由此而产生的界面现象，也广泛存在于人类的生产、生活和自然环境中。例如，曙光、晚霞、蓝天、碧海、露珠、雨滴;洗衣粉、肥皂、牙膏、洗涤剂去污;纤维染色、活性炭脱色、硅胶吸水、塑料防水;净化、污水处理、除气溶胶、尘、雾、泡沫等;石油回收和处理、浮选富集矿石、土壤改良等;水过冷不结冰、过热不沸腾、毛细管中水面自动上升、汞面自动下降等，这些现象都与界面性质有关，因此称为界面现象。
界面现象是人们随处可见的自然现象’而且也与生命息息相关’所有的生物体都包含有界面作用，如大脑皮层进行的信息交换和传递，被认为是当今自然界中最复杂的界面作用过程;植物通过叶子細细胞中的叶绿素，把空气中游离的二氧化碳和水转化为淀粉和氧气的光合作用，就是一个众所周知的界面反应过程。
在石油工业中，水驱油、聚合物驱油、活性剂驱油过程及活性剂在油水两相的分配、活性剂和聚合物在储层矿物表面上的吸附、钻井泥浆的悬浮、稳定等，更是与界面化学密切相关。随着油田开发的逐渐深入，越来越多的界面化学知识被应用到提高石油采收率技术研究与应用中。
第一'节基本概念
物质通常以气、液、固三种聚集态(也称相态)存在。当两种不相溶聚集态共存时，即可构成五种界面，即气/液、气/固、液/液、液/固和固/固界面，具体是指不相溶的两相间接触的交界部分。
人们通常将“表面”用于指一个凝聚相(液相或固相)与一个气相(或真空)之间的区域，而将“界面”用于指两个凝聚相接触的区域。在没有特指的情况下，“界面”这个概念具有更广泛的适用空间，常常用到“气/液界面”、“气/固界面”等。简单地说，界面化学是研究任意两相之间的界面上发生的物理化学过程的科学。
两相之间的界面SS'并不是一个简单的几何平面，而是从一相到另一相的过渡层(M"0)，如图1-1中ABCD所示。这种在相接触两相"P之间的界面上新形成的、性质特殊且黯一定厚度的界面层又称为界面相’与之相邻的两个均匀的相，称为本体相或体相。
实验证明，界面层的结构和性质与相邻两侧体相皆不同，但与相邻两个体相"、p的性质有关，其中任何一相的变化都会引起界面层性质的改变，热力学上视此为特殊相，即“界面相”。
例如，将金块与铅块在一定的压力下长时间接触后再分开，在其接触面上有合金成分产生;将油水相互接触，接触部分油中含水，水中含油。
根据量子力学推算，界面相最多有几个分子的厚度。在实际应用中，为了处理上的简单便利，仍将界面相作为一个虚构的几何面奴，且假设这个面的上、下与体相性质完全均勻、一致。
第二节界面现象的研究与发展
界面现象的研究最早从力学开始。大约19世纪中期或更早一些时候，科学家就开始意识到界面区是具有特殊性质的部位，不均勻体系的许多行为都取决于界面性质的变化。
1805年托马斯•杨(T.Young)指出，系统中两种均勻流体，从力学的观点来看就像是被一张无限薄的弹性膜分开，而界面张力则存在于这一弹性膜中。他还将界面张力概念推广应用于有固体的系统，导出了联系气/液、液/固、气/固界面张力和接触角的著名的杨氏方程。
1906年，拉普拉斯(P.S.LAplAce)导出了弯曲界面两边压力差与界面张力和界面曲率的关系，可以解释毛细管中液体上升或下降的现象。
1869年，都普里(A.Dupe)研究了润湿和黏附现象，将黏附功和结合功与界面张力联系起来。
1875〜1878年，吉布斯(Gibbs)总结并发展了前人的研究工作，采用数学推理的方法，指出界面区的物质浓度一般不同于各本体相中的浓度，从而奠定了界面物理化学的理论基础。
1859年，开尔文(Kelvin)在将界面扩展时伴随的热量变化与界面张力随温度的变化联系起来！871年又导出了蒸气压与界面曲率的关系，被称为Kelvin公式。
1893年范德华(vAnderWAAls)认识到，在界面层中密度实际上是连续变化的，遵从一个分布规律。他应用局部自由能[亥姆霍兹（Helmholtz)函数]密度的概念，结合范德华方程，并引入半经验修正’从理论上研究了取决于分子间力的状态方程参数与界面张力的关系。这项工作可以看作是用统计力学酿界面现象的前奏。
朗格缪尔(LAngmur)对黏附、摩擦、润滑、蒸发、凝聚、吸附、单分子膜等表面现象做了大量的研究工作。1913〜1914年，他在表面物理化学领域重要的发现与杰出的发明。
在20世纪前40年内，表面物理化学迅速发展，大量的酿成果被广泛应用于生产。例如，食品、涂料、造纸、橡胶、建材、能源工业、冶金、土壤化学、材料化学和多相催化等。普朗易（PolAny)、LAngmuir、雷迪尔（RideAl)、泰勒（TAylAr)和埃米特(Eminett)等著名的物理学家和化学家对表面吸附及表面基元反应机理做了许多开创性的研究，创建了一些表面分析技术。格里菲思（Griffith)于1921年提出裂缝假说，给出的关于理想脆性材料的Griffith方程，将材料的强度与表面能、裂缝尺寸联系起来。尽管如此’表面物理化学在当时并没有形成独立的学科’只是作为物理化学领域中胶体化学分支的组成部分。
到了20世纪50年代，表面物理化学的发展相对其他化学领域内的学科仍然较为缓慢。各种光谱技术和微观测试技术的不断出现，使得化学领域中的许多研究工作可以深入到微观水平进行，即从基本的分子结构来探讨化学过程的机理。但是’这些先进的测试技术在当时还不能很成功地应用于界面现象的研究工作中。主要原因是:首先’大多数的微嫩则试技术都是采用电磁辐射的原理細究分子的结构，一般适用于气态或固态’而界面现象的研究则要求在一个厚度仅几个分子层的准三维区域内进行，被扫描的横截面积太小，难以满足这些测试技术的要求;其次，当采用红外光谱、核磁共振、X射线衍射等进行界面现象(如表面吸附等)研究时，为获得足够数量的可靠信号，要求对较大的表面积进行测试，为了比较各种不同测试技术所得的结果’常常还需要将样品从一个设备送到另一个设备’因此样品表面清洁度及复制性不可忽视，另外还要求有高真空技术，难度加大。
从20世纪60年代初开始，由于航天技术和电子工业的发展，界面物理化学发展缓慢的局面有所改善。电子工业和航天技术要求所有的部件尺寸要尽可能的缩小，增大表面积与体积的雌’酿材料的表面性质在一定程度上支配着半导体技术和航空工业的发展，相关的表面现象酿必须糊微观测试技术，从而促使超高真空设备不断完善，其真空度高达10-6PA。另外，电子计算机和新的表面测试技术的不断引进，出现了低能电子衍仪、俄歇电子能谱仪器、X射线光电子能谱仪等，只需在很小的表面(一般为W)上即可进行测试并能获得可鉴别的信号。这些新的表征手段促进了表面物理化学研究新局面的形成。
20世纪60年代細70年代初，界面科学已经进入在微观水平上研究表面现象的阶段，界面科学得到了飞速发展’界面科学成为一门独立的学科。
目前，科学家已经能够在低于微米级的表面上，获得小于1%原子单层(103cm-2)的原子信息，可以在优于10-7PA的超高真空下，从分子水平研究表面现象。不少科学家致力于催化剂和多相催化过程、有关表面的组成、结构和吸附态对表面反应的影响及表面机理的研究，从而寻找具有实用价值的高效催化剂。2007年，德国科学家格哈德•埃特尔（GerhArdErtl)因“气-固界面基本分子的过程的研究”获得诺贝尔化学奖。GerhArdErtl是最早理解界面化学潜力的科学家之-，他的主要酿成果包括利用铁催化剂表面使氨合成反应的效率大大提高’以及利用金属铂表面的氧化处理汽车尾气中的一氧化碳等，对化肥生产和环境保护事业都黯重大的现实意义。
在科学技术高度发达的今天’界面化学已经进入主流科学发展的前沿。
第三节界面化学在EOR中的任务
界面化学是随着现代科学发展和各学科之间的相互交叉与渗透而形成的一门重要的边缘学科，它是通向当漏技术革命的重要桥梁’与无机化学、分析化学、有机化学、高分子化学、物理化学、化学热力学、化学动力学和结构化学等关系十分密切。界面化学的任务是分析产生界面现象的成因，进而找出普遍规律，再将这些规律用于指导生产实践。
在石油工业中’随着石油开采难度的不断增加，开发过程中的许多科研问题已经逐步深入。利用界面化学的基本原理与方法，探讨油田开发与开采过程中涉及的界面现象及问题，探索内在的规律性，对于实现油田的高效开发具有重要指导作用。界面化学已经成为提高原油采收率研究领域的科研人员必鮮握的一项重要的基础知识。
第二章纯液体的界面现象
通常所见，水滴在不受力或者受力不大时总会形成球体;液体表面由于液体的流动性而常常出现一些弯曲液面，如毛细管内液体的凹液面、微波荡漾的水面;某些液滴却在空气中或在另一种不相溶液体内成凸液面，如露珠、水面上的油滴，这些都是液体所表现出来的表面现象"一般来说，液体由于具有流动性好、表面性质容易检测等优点，成为表面张力的研究对象及理解其概念的基础"
第一节表面张力与表面自由能
液体表面最基本的特征是倾向于收缩，球形是液滴的基本形状，如水银珠、荷叶上的水珠、空中的雨滴、被拉开的液膜自动收缩等，都是表面张力与表面自由能作用的结果。
一、表面张力
下面是在界面化学理论指导下的假想实验。
用刚性的细金属丝制成一个框架(图2-1)，其一边AB可以在框架上无摩擦自由滑动。将AB边与框⑶边并拢后浸人肥皂液中，然后取出并拉开一段距离，使框架上形成一层肥皂膜ABCD。此时，若放松金属丝AB，则AB边将自动向左滑动，欲使膜面积维持不变，需在金属丝边上施加以相反方向的力'，其大小与金属丝AB边的长度(成正比，比例系数用!表示，因为膜具有上下两个面，如图2-2所示，故可得关于表面张力的式中，！为表面张力系数，它指垂直通过液体表面上单位长度沿着与液面相切的方向收缩表面的力，通常又称为表面张力，其单位为mN/m或N/m。方向，可以通过以下的实验进一步理解:将一拴有棉线圈的铁环浸过肥皂水并形成液膜，棉线圈因不受力在液膜中以不规则形状存在;用铅笔扎破棉线圈内部液膜，则棉线圈受表面张力作用而扩张成规则的圆圈（图2-3)。

—、表面自由能
如图2-1所示，在外力F作用下使边移动至A7B7的位置，移动的距离为，此时外力对体系做功为
根据Gibbs定义，在温度和压力恒定条件下，外力对体系做功，等于体系Gibbs自由能(或自由焓、恒温恒压自由倉D的增量AG，即，则Gibbs自由能增量为
在可逆情况下液膜表面积增量则即式中，！为温度、压力恒定条件下，增加单位表面积AA时，体系自由能的增量，又称比表面自由能，简称表面自由能，国际单位为J/m2或mj/m2。

前言
第一章绪论 1
第一节基本概念 1
第二节界面现象的研究与发展 2
第三节界面化学在EOR中的任务 4
第二章纯液体的界面现象 5
第一节表面张力与表面自由能 5
第二节表面自由能的物理意义 7
第三节影响表面自由能(或表面张力）的因素 9
第四节弯曲界面两侧压力差与毛细管力 14
第五节 Kelvin公式及細 20
第六节测量細(界面)张力的方法 25
第三章凝聚相界面 32
第一节凝聚相界面之间的作用力——色散力 32
第二节纯液細的界面自由能 34
第三节二组分凝聚相界面性质 36
第四节液/固界面的润湿 39
第五节润湿的应用 47
第四章吸附 53
第一节气/液細吸附的一般规律及其热力学基础 53
第二节气/固吸附及其实验究 60
第三节固体表面对液体中溶质的吸附 71
第五章界面电现象 83
第一节电动现象及其发现 83
第二节质点表面电荷的来源 84
第三节双电层结构的基本理论 87
第四节电毛细现象(毛细管电现象） 95
第六章表面活性剂及其应用 98
第一节表面活性剂的定义 98
第二节表面活性剂的分类、结构和应用 101
第三节表面活性剂的性能表征 110
第四节HLB值及其测定 113
第五节胶束与临界胶束浓度 118
第六节微乳液 131
第七章双亲分子在溶液中的有序组合 140
第一节双亲分子有序组合体 140
第二节人工双层脂质膜 146
第三节脂质体与囊泡 151
第四节形成有序组合体的相关舰 156
第八章乳状液与泡沫 162
第一节乳状液的概述 162
第二节乳状液的物理性质 164
第三节乳状液麵的鉴别及影响乳状液麵的因素 166
第四节影响乳状液稳定性的因素 167
第五节乳状液的变型与破乳 172
第六节泡沫 177
主要参考文献 199