沥青质亚组分在二氧化硅表面的吸附行为与分子相互作用机制研究

本刊推荐：为解决石油工业中沥青质引起的结垢、污堵等问题，研究人员针对界面活性(IAA)与非活性(INAA)沥青质亚组分在二氧化硅表面的吸附行为开展研究，通过表面力装置(SFA)、原子力显微镜(AFM)和石英晶体微天平(QCM-D)等技术，发现IAA沥青质具有显著更高的吸附容量(~150 mg/m2)和扩散系数(~10?8 m2/s)，其强吸附性与π-π堆积、氢键等分子相互作用密切相关，为原油开采中矿物-沥青质相互作用机制提供了新见解。

　　

在石油工业中，沥青质(asphaltenes)的吸附、沉积和结垢问题长期困扰着原油开采与加工过程。这些原油中极性最强的组分不仅会堵塞储层孔隙、降低渗透率，还会通过吸附在矿物表面改变岩石润湿性，进而影响沥青的析出效率。更棘手的是，沥青质稳定的乳状液和顽固的“rag layers”会显著增加分离难度和处理成本。尽管过去研究多将沥青质视为均一体系，但其亚组分——特别是基于油水界面活性分离出的界面非活性(INAA)和界面活性(IAA)亚组分——在吸附行为和分子相互作用上可能存在显著差异，这一点却长期被忽视。因此，厘清不同沥青质亚组分在矿物表面的吸附机制，对解决石油工业中的实际问题和推动基础理论发展都具有重要意义。

为系统探究IAA与INAA沥青质在二氧化硅（SiO₂）表面的吸附特性与相互作用机制，本研究综合运用了表面力装置(Surface Forces Apparatus, SFA)、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)、石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance with Dissipation, QCM-D)等纳米力学表征技术，并结合接触角测量与表面能计算，从吸附层形态、吸附动力学、相互作用力等多角度开展了定量研究。所有实验均在甲苯溶剂中进行，沥青质样品取自加拿大阿尔伯塔省北部原油，并依“Extended-SARA”方法分离提纯，硅片、云母等矿物基材经标准Piranha溶液清洗以确保亲水性。

3.1. 吸附层形貌与厚度表征

通过AFM成像发现，IAA沥青质在二氧化硅表面形成较大聚集体，表面粗糙度(RMS)介于3.85–5.45 nm，而INAA则形成均匀薄层，粗糙度仅为0.67–1.23 nm。SFA厚度测量进一步显示，吸附90分钟后，IAA层厚度可达~67 nm，远高于INAA的~4.1 nm，表明IAA更易在矿物表面积累。

3.2. 吸附行为与动力学分析

QCM-D监测表明，IAA沥青质在二氧化硅表面具有显著更高的吸附容量（100 mg/L时达~150 mg/m²）和扩散系数（1.43×10^?8 m²/s），较INAA（~8 mg/m²，1.43×10^?10 m²/s）高出两个数量级。吸附过程不可逆，且IAA形成较松散薄膜（|ΔD/ΔF|值较高），而INAA层则较为致密。

3.3. 表面能与Hamaker常数计算

通过三探针液体法测得IAA和INAA的表面能分别为51.77 mJ/m²和45.6 mJ/m²，其中IAA的Lewis酸-碱组分(γ^AB)显著更高（5.53 mJ/m²），说明其极性更强。基于表面能估算的Hamaker常数进一步揭示，IAA在甲苯中具有更强的范德华吸引力。

3.4. 表面力测量与分子相互作用

AFM力曲线测量表明，IAA与二氧化硅间存在显著粘附力（F_adh/R = 2.04 mN/m），且随加载力增加而增强，而INAA的粘附可忽略不计。IAA–IAA相互作用在较高加载力下表现出明显内聚力，INAA–INAA则始终微弱。理论计算与实验对比证实，范德华力(van der Waals forces)和氢键是主导吸附的重要机制，而IAA中丰富的杂原子（O、N、S）促进了其与表面硅羟基(Si–OH)的极性相互作用。

本研究通过多尺度实验手段，清晰揭示了IAA沥青质亚组分在二氧化硅表面的强吸附性与自缔合倾向源于其更高的极性组分含量和多样的分子间作用力（范德华力、π-π堆积、氢键等）。研究不仅提供了沥青质亚组分吸附行为的定量数据，还从分子层面阐释了其积累机制，对理解原油开采中的矿物-沥青质相互作用、优化乳化控制与结垢防治策略具有重要指导意义。该成果发表于《Journal of Colloid and Interface Science》，为石油胶体与界面科学领域提供了扎实的实验依据和理论支持。