一种用于乳液研究的亲水性3D打印微流控装置：关于环烷酸在乳液聚结过程中作用的初步观察

《ACS Omega》：A Hydrophilic 3D-Printed Microfluidic Device for Emulsion Studies: Preliminary Observations on the Role of Naphthenic Acids in Coalescence

石油生产水中沥青酸（NAs）通过降低界面张力稳定油水乳液，其分子结构（碳数和环化度）影响稳定效果。本研究开发了一种基于LCD立体光刻的3D打印微流控装置，通道尺寸约40 μm，无需表面修饰或外部触发即可生成可控油滴并观察聚并现象。结合GC×GC-HRMS分析，揭示了原油和PW中NAs的组成差异及乳化稳定性关联。该装置成本低（<1美元），适用于复杂石油样品的乳化行为研究，为石油工业处理含乳化液PW提供新方法。

　　在石油工业中，产生的水（Produced Water, PW）是油井开采过程中不可避免的副产品，其成分复杂，通常包含多种可溶和不可溶的物质，其中油以油/水乳液（O/W）的形式存在。这种乳液在特定条件下可以被稳定，而乳液的稳定性直接影响其处理效率和环境影响。近年来，研究者们对乳液稳定性的理解逐渐加深，但关于乳液中关键组分——环烷酸（Naphthenic Acids, NAs）的具体作用机制仍不明确。环烷酸作为天然表面活性剂，具有两亲性结构，能够在油水界面吸附，降低界面张力，从而抑制乳液中的油滴聚并现象。然而，其对乳液稳定性的影响仍需进一步研究，特别是在不同化学环境下，环烷酸的分子结构对其行为的影响尚未被充分揭示。

为了解决这一问题，研究团队开发了一种新型的3D打印微流控装置，专门用于研究油水乳液中的环烷酸对乳液稳定性的调控作用。该装置采用基于液晶显示器（LCD）的立体光刻（SLA）技术进行打印，并使用一种专为微流控应用设计的透明、亲水且耐有机溶剂的树脂。这种树脂不仅简化了微流控芯片的制备过程，还避免了传统方法中需要对芯片表面进行化学修饰或涂覆的步骤，从而提高了实验的可重复性和可控性。微流控技术的优势在于其能够精确控制微小体积的液体流动，并在可控环境中生成和分析乳液。然而，传统的微流控芯片通常由玻璃或硅材料制成，这些材料在化学兼容性、机械强度和光学透明度方面存在一定的局限性，特别是在处理复杂的石油样品时，容易受到化学物质的影响，导致材料性能下降或表面特性改变。

相比之下，3D打印技术为微流控装置的定制化提供了新的可能性。它不仅能够快速、低成本地制造出具有特定几何结构的微流控芯片，还能根据实际需求调整芯片的尺寸和形状，从而满足不同实验条件下的研究要求。然而，目前大多数3D打印微流控芯片的通道尺寸较大（通常超过100微米），并且光学透明度不足，这在一定程度上限制了其在乳液聚并现象研究中的应用。为此，本研究设计了一种具有精细通道结构（约40微米）的微流控装置，其通道尺寸和光学性能均达到了满足乳液研究的要求。

该装置的关键设计特点包括两个观察室，用于捕捉乳液生成过程和聚并现象的动态变化。通过高速摄像机和光学显微镜，研究者能够实时观察油滴在微流控通道中的行为，并记录其在不同条件下的尺寸变化。此外，该装置还包含一个专门设计的区域，用于引导油滴碰撞并促进聚并过程。这种结构设计使得研究者能够在无需外部刺激的情况下，通过芯片内部的流体力学特性实现乳液聚并的自发过程。这种自适应的微流控装置为研究乳液的动态行为提供了一个理想的平台，同时也减少了实验复杂性。

为了验证该装置的性能，研究团队使用了一种模型油水体系进行测试，其中包括纯水作为连续相和十六烷溶液作为分散相。实验结果显示，该装置能够稳定地生成具有均匀尺寸的油滴，且油滴的尺寸分布范围非常狭窄（约1%的均值偏差）。这一结果表明，该装置在生成和观察油水乳液方面具有良好的控制能力。随后，研究者将环烷酸从技术混合物、原油和产生的水中提取，并将其加入到实验体系中，以评估其对乳液稳定性的影响。实验结果表明，环烷酸的存在显著抑制了油滴的聚并现象，这一行为与环烷酸作为表面活性剂的特性一致，即它们通过降低界面张力和形成稳定的界面膜来防止油滴合并。

进一步的分析显示，环烷酸的浓度对其稳定作用具有显著影响。在较低浓度（如10 ppm）下，环烷酸主要通过降低界面张力来增强乳液稳定性，而在较高浓度（如1000 ppm）下，其稳定作用趋于饱和，表明存在一个最佳的浓度范围。这一发现对于实际应用具有重要意义，因为它提示了在设计乳液处理系统时，需考虑环烷酸的浓度与稳定性之间的平衡关系。过高的环烷酸浓度可能导致乳液过度稳定，从而影响其在某些应用场景中的适用性。

此外，研究还结合了GC×GC-HRMS技术，对环烷酸的分子组成进行了详细分析。该技术能够提供关于环烷酸的碳链长度分布和环状结构的信息，从而揭示其对乳液稳定性的具体影响。分析结果显示，来自原油的环烷酸具有更高的碳链长度（主要集中在15个碳原子）和更高的环状结构（DBE值接近3），这使得它们在降低界面张力和形成稳定界面膜方面表现出更强的性能。相比之下，来自产生的水的环烷酸碳链较短（集中在10个碳原子），环状结构较少，导致其对乳液的稳定作用相对较弱。这些分子结构的差异直接反映了环烷酸在不同来源中的化学特性，并进一步解释了其在不同化学环境下的稳定效果。

研究还发现，乳液的稳定性与溶液的pH值密切相关。在较高pH条件下（如8.3），环烷酸更容易以离子形式存在，从而在油滴表面形成电荷层，产生静电排斥力，有效阻止油滴的聚并。而在较低pH条件下（如7.4），环烷酸的离子化程度较低，导致其在油滴表面的吸附能力下降，进而影响乳液的稳定性。这一现象进一步说明了乳液稳定性不仅取决于环烷酸的分子结构，还与所处环境的化学条件密切相关。因此，研究中提出的综合方法——将微流控实验与分子分析技术相结合——为深入理解乳液稳定性的复杂机制提供了新的视角。

该研究的意义不仅在于开发了一种新的微流控装置，还在于它展示了低成本3D打印技术在复杂乳液研究中的潜力。传统玻璃或硅基微流控芯片在处理石油样品时往往需要复杂的表面处理和昂贵的设备支持，而本研究的装置则克服了这些限制，通过使用专为微流控应用设计的树脂，实现了无需表面修饰即可进行乳液生成和聚并观察。这种设计为微流控技术在石油工业中的广泛应用提供了可行的解决方案，尤其是在处理高浓度环烷酸的复杂体系时。

此外，该研究还强调了化学分析与微流控实验结合的重要性。通过GC×GC-HRMS技术，研究者能够获得环烷酸的详细分子信息，从而将其与乳液的物理行为联系起来。这种跨学科的方法不仅加深了对乳液稳定性的理解，还为优化石油废水处理技术提供了理论依据。例如，了解环烷酸的分子结构和化学行为，有助于开发更高效的乳液分离方法，减少油水乳液的形成，提高石油回收效率，同时降低对环境的影响。

综上所述，这项研究通过开发一种新型的3D打印微流控装置，结合先进的分子分析技术，为理解环烷酸在油水乳液稳定性中的作用提供了新的工具和方法。该装置的低成本、高透明度和无需表面处理的特点，使其在石油工业中具有广泛的应用前景。同时，研究揭示了环烷酸浓度、分子结构和环境pH值对乳液稳定性的影响，为未来在乳液处理和优化方面提供了重要的理论指导。未来的研究可以进一步探索不同来源的环烷酸在不同环境条件下的行为，以及如何通过调整其化学组成来提高乳液处理的效率和效果。