2.4 黏度和TEM

一方面，黏度增强了液膜的强度和弹性，使其更难破裂，从而延长泡沫时间；另一方面，高黏度液体的流动性较差，降低了液体从气泡膜中排出的速率，延迟了液膜变薄和泡沫坍塌，改善了携液性能。除了对液膜的影响外，高黏度液体还能阻碍气泡的相互运动和合并，以保持泡沫结构和稳定性。

使用2.2.4节描述的方法，在剪切速率范围50-200 s⁻¹下进行黏度测量。如图7所示，无NaCl时黏度：AE2S ≈ AE5S ≈ AE7S，AES黏度差异很小。100和200 g/L NaCl时：AE2S > AE5S > AE7S。

总体而言，在50 s⁻¹至200 s⁻¹的剪切速率范围内系统测量了AEnS溶液的黏度特性。AEnS溶液的黏度随NaCl质量浓度的增加呈现先降低后增加的非线性趋势。这一现象可归因于AEnS分子之间的显著静电排斥。随着NaCl质量浓度的增加，溶液中的Na⁺通过电荷屏蔽效应削弱表面活性剂分子之间的静电排斥，导致分子间距离缩短和不同程度聚集体的形成，这可能是黏度最初降低的主要原因。然而，随着Na⁺浓度的进一步增加，AEnS分子形成的胶束在尺寸和形态上发生显著变化。胶束之间相互作用增强的证据表明，这可能形成更复杂的超分子结构（如蠕虫状胶束或网状结构），导致溶液黏度增加。

在200 g/L NaCl下，AE2S的黏度高于AE5S和AE7S。通过TEM观察了不同NaCl质量浓度下的AE2S。

如图8所示，AE2S溶液中聚集体的数量和结构随NaCl质量浓度的增加而显著增加。当NaCl质量浓度进一步增加时，表面活性剂分子与Na⁺的结合增强，导致聚集机制从AE2S的简单分子间聚集转变为涉及AE2S、Na⁺和H₂O的复杂聚集过程。这种转变导致大规模"树枝状"聚集体结构的形成，这可能是AE2S溶液黏度趋势显著变化的主要原因。AE7S在200 g/L NaCl下的聚集形态与相同条件下AE2S的形态显著不同。这种形态差异直接导致了两者的黏度变化，进一步证明了胶束聚集状态对溶液黏度的决定性影响。

2.5 泡沫性能

如图9所示，在无NaCl条件下，EO数越高，AES在0.1%浓度下的泡沫性能越好。随着NaCl质量浓度增加到100 g/L和200 g/L，EO数与泡沫性能之间呈负相关。AE2S的泡沫半衰期和携液效率分别为382 s和86%。在100 g/L NaCl条件下，AE2S的泡沫性能增强，泡沫半衰期和携液效率分别增加到568 s和90%。

使用相同设备对泡沫进行测试表明，AEnS系列在含100 g/L和200 g/L NaCl条件下仍能发泡，携液率如表4所示。在100 g/L NaCl条件下，EO数越高，AEnS的凝析油抗性越强；此时，AE2S尚未形成较大的胶束结构，而较高的EO数倾向于形成小而稳定的胶束。在200 g/L NaCl条件下，AE2S已形成较大的胶束结构，因此AE2S的泡沫结构更坚固，具有更强的凝析油抗性。

2.6 分子动力学模拟

我们进行了分子动力学模拟以评估AEnS的NaCl耐受性。最初模拟了NaCl分子对AE2S、AE5S和AE7S在水-气界面吸附的影响。含AEnS的泡沫模型在液相中的平衡构型如图10所示。在平衡条件下，三种表面活性剂几乎都保留在真空-水界面，证实了AEnS优异的发泡性能。在30和60 NaCl条件下的结果也可比。随后对 varying NaCl条件下AEnS的RDF和MSD分析进行了研究。

RDF表示在距离参考粒子r处找到其他粒子的概率，反映粒子的空间分布，也表示为g(r)。图11（a-c）展示了不同NaCl分子体系中水分子围绕AEnS亲水头基的RDF曲线。积分g(r)量化了与头基结合的水分子数，如表5所示。从图11和表5可以看出，曲线在水平坐标约2.4 Å处有一个第一峰，对应于在该距离从头基形成第一水合层。第一水合层内的水分子数随NaCl质量浓度的增加而减少。此外，在约4.0 Å处出现第二个特征峰，表明AEnS头基周围水合层的结构变化。AEnS头基与Na⁺之间的RDF（图11d-f）证实Na⁺能够渗透第二水合层并与亲水头基直接相互作用。

表6进一步显示Na⁺能够进入极性头基的第一和第二水合层，改变水分子与极性头基之间的相互作用。

由于Na⁺与H₂O在第一和第二水合层中的空间位阻，水合层中的水分子数减少，这直接降低了泡沫携液效率。H₂O与AEnS之间发生氢键作用。同时，H₂O中弱负电性的O原子与AEnS带负电荷的亲水头基通过静电吸引与Na⁺相互作用。AEnS、H₂O和Na⁺之间的这些相互作用形成稳定结构，延长了AEnS的泡沫半衰期。这一现象解释了TEM中观察到的200 g/L AE2S出现"树枝状"聚集体的现象。

为了进一步研究第一水合层中水分子的迁移性，采用MSD方法分析AEnS头基附近结合水的扩散行为。MSD曲线的斜率表示扩散速率，AE2S、AE5S和AE7S在100 g/L NaCl溶液中的MSD曲线如图11（g-i）所示。从MSD曲线计算了各表面活性剂在不同NaCl溶液中的扩散系数，如表7所示。对于AE2S和AE5S，NaCl的加入促进了它们的扩散过程，而AE7S在60 NaCl分子体系中的扩散系数仍低于纯水中。这一现象证实AE2S和AE5S在NaCl溶液中比AE7S表现出更好的发泡能力。在同一NaCl分子体系中，扩散系数的大小与AEnS的发泡能力相关，表明AE2S在60 NaCl体系中表现出最佳的整体泡沫性能。

3 结论

本研究调查了三种不同EO数的AEnS在80°C和三种不同NaCl质量浓度下的泡沫稳定性和携液效率。我们还初步评估了AEnS在气井排水采气和产气方面的性能。此外，通过动态表面张力、界面张力、液膜厚度、黏度、TEM和分子动力学模拟探索了机理，得出以下结论：

1）AE2S实现了较低的动态表面张力和界面张力，从而在界面性能方面显示出其优越的泡沫性能。

2）较大的液膜厚度表明AE2S泡沫具有更高的机械强度和携液能力。

3）黏度测量和TEM观察揭示，在高NaCl质量浓度下AE2S的胶束聚集形态与AE5S和AE7S不同，形成"树枝状"聚集体有助于泡沫的稳定性。

4）泡沫时间和携液效率进一步直观展示了AE2S泡沫在耐盐性、耐温性和耐凝析油性方面的优越性。

5）分子动力学模拟证实了AEnS、NaCl和H₂O之间的相互作用，表明它们能够形成稳定结构，特别是AE2S能够形成更稳定的泡沫。