黃原膠鹽溶液減阻及抗剪切特性的實驗研究

朱 波, 趙文斌, 李明義, 袁益超, 于文匯, 李昌烽

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引 言

黃原膠又稱黃膠、漢生膠，呈白色或米黃色，是一種天然多糖和重要的生物高聚物，由甘藍黑腐病野油菜黃單胞菌以碳水化合物為主要原料，經(jīng)好氧發(fā)酵生物工程技術(shù)產(chǎn)生。從化學(xué)結(jié)構(gòu)來看，黃原膠是由D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸、乙酸和丙酸組成的“五糖重復(fù)單元”聚合而成的生物高分子聚合物，其相對分子量在2×106～5×107之間[1]。由于其相對分子量較大，分子鏈具有長直鏈，且主鏈上帶有少量較大的側(cè)鏈，這些結(jié)構(gòu)特性使其成為一種很好的減阻劑[2]。此外，與大多數(shù)柔性合成聚合物相比，黃原膠在去離子水以及鹽溶液中表現(xiàn)為更加剪切穩(wěn)定的減阻劑[3-4]。

高分子減阻技術(shù)于1948年第一屆國際流變學(xué)會議上由Toms首次報告，表明在氯苯中添加少量的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，可大幅度降低流動阻力，該現(xiàn)象被稱為“Toms效應(yīng)”[5]。隨后，該現(xiàn)象吸引了眾多學(xué)者對高分子減阻技術(shù)進行廣泛研究。在早期對黃原膠鹽溶液減阻特性的實驗研究中，Sohn等[6]利用轉(zhuǎn)盤裝置在去離子水以及鹽溶液(NaCl溶液)中研究不同分子量的黃原膠的減阻特性以及抗剪切特性，發(fā)現(xiàn)其減阻特性在鹽溶液中比在去離子水中更穩(wěn)定。Wyatt等[7]采用預(yù)混式和擬均勻混合兩種方法，在不同管徑的管道(6.35mm管徑的不銹鋼管，管徑12.7和25.4mm的銅管)中研究添加NaCl和不添加NaCl的黃原膠溶液的減阻特性，并從零剪切粘度對黃原膠溶液原液濃度依賴性方面確定了3個臨界濃度，該實驗側(cè)重于原液濃度變化，且稀釋后溶液的濃度為一定值。Hong等[4]采用轉(zhuǎn)盤裝置研究KCl的添加對黃原膠溶液減阻特性的影響，并驗證了適用于減阻降解擬合分析的模型。Carmona等[8]研究了在大幅度震蕩剪切下，NaCl含量對黃原膠溶液抗剪切特性的影響，確定了黃原膠溶液的非線性動態(tài)粘彈性與NaCl含量的函數(shù)關(guān)系。馬宗豪和卞永寧[9]實驗發(fā)現(xiàn)加入一定濃度NaCl能有效緩解非牛頓流體剪切粘度隨時間的依存性問題。Gasljevic等[10]綜合對比分析了聚氧化乙烯和黃原膠的減阻特性、流變特性、抗降解行為以及鹽含量和高聚物濃度對減阻類型的影響?？偟膩砜矗瑢S原膠鹽溶液減阻特性及抗剪切特性，前人主要使用轉(zhuǎn)盤裝置開展相關(guān)實驗研究，雖然也有在不同管徑中進行，但是濃度單一。本文采用直徑為20mm的水平光滑圓管，對不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液進行減阻特性及抗剪切特性實驗，主要研究黃原膠鹽溶液的濃度(質(zhì)量分數(shù))效應(yīng)、溫度效應(yīng)及其抗剪切特性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

實驗裝置在課題組設(shè)計的裝置[11]上改造升級而成(如圖1所示)。實驗管道為有機玻璃管，管道AE段直徑20mm。根據(jù)White[12]提出的經(jīng)驗公式，在壓力測量點B之前，AB段的長度應(yīng)滿足不小于138倍管徑的條件，本文設(shè)置為2.8m，完全達到克服湍流流動端口效應(yīng)的要求。管道測試段BC的長度為2m。

實驗采用差壓變送器測量測試段BC兩端的壓降水頭，其測量精度可達0.25%；采用體積法與電磁流量計兩種方式測量流量，相對誤差小于0.1%；以變頻器調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，并配合布置在各管道上的閥門控制管道流速；在儲液箱和測量槽位置采用溫度計測量溶液溫度，實驗過程中溶液溫度波動范圍可控制在±1℃范圍內(nèi)。

1.2 溶液配制

課題組前期已對質(zhì)量分數(shù)在(50～550)×10-6范圍內(nèi)的黃原膠水溶液的減阻特性進行了實驗研究[13-14]，表明黃原膠水溶液質(zhì)量分數(shù)在500×10-6時就已經(jīng)達到飽和減阻，其后減阻率不再隨濃度增加而增加。而本文旨在研究向黃原膠水溶液添加等量NaCl后的減阻及抗剪切特性，并與黃原膠水溶液的相關(guān)特性作對比，故僅選擇質(zhì)量分數(shù)為300×10-6、400×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液進行研究。但由于影響高聚物流變性的因素較多，可能會因某一條件的微小變化而導(dǎo)致減阻曲線發(fā)生改變，所以也再次進行了3種質(zhì)量分數(shù)下黃原膠水溶液的相關(guān)特性實驗。

黃原膠鹽溶液按照加入NaCl的質(zhì)量等于相應(yīng)條件下黃原膠水溶液中所含黃原膠的質(zhì)量來進行配制。溶液配制過程如下：首先配制質(zhì)量分數(shù)為1×10-2的黃原膠母液，靜置24h，確保黃原膠或者添加NaCl的黃原膠充分溶解于水；然后將母液加入儲液箱，用自來水稀釋為一定質(zhì)量分數(shù)的溶液，再靜置8h，確保實驗時母液與水混合均勻。

1.3 實驗方法

1.4 實驗評價基準(zhǔn)

在圓管流動中，圓管的沿程阻力系數(shù)[13]為:

(1)

式中:Δh為實驗管段(BC測試段)的水頭差，m；l為實驗管段管長，m；Q為體積流量，m3/s；g為重力加速度，m/s2。

同一雷諾數(shù)下，減阻率DR的表達式為:

(2)

式中:λ為實驗黃原膠溶液圓管流動的沿程阻力系數(shù)，λw為相對應(yīng)的清水圓管流動的沿程阻力系數(shù)。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 濃度(質(zhì)量分數(shù))效應(yīng)

為研究添加NaCl的黃原膠鹽溶液減阻特性的濃度(質(zhì)量分數(shù))效應(yīng)，在20℃條件下進行黃原膠鹽溶液減阻特性實驗，實驗結(jié)果如圖2(a)所示。為對比分析，圖2(b)給出了相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)黃原膠水溶液的減阻特性。

圖2 不同質(zhì)量分數(shù)黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液減阻率隨Re的變化曲線

Fig.2Dragreductionratevs.RenumberforXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionatdifferentmassfractions

在圖2(a)中，顯示了質(zhì)量分數(shù)分別為300×10-6、400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液的減阻特性，可以發(fā)現(xiàn)：僅在流動雷諾數(shù)低于4.5×104時，質(zhì)量分數(shù)為500×10-6的黃原膠鹽溶液的減阻率略高于質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠鹽溶液；在飽和穩(wěn)定后，兩者減阻率隨Re的變化曲線幾乎重合，約為定值48.5%。兩者與質(zhì)量分數(shù)為300×10-6的黃原膠鹽溶液相比，飽和減阻率相差較大(300×10-6黃原膠鹽溶液的減阻率在飽和穩(wěn)定后約為定值39.5%)。而從圖2(b)可以看出：在不同質(zhì)量分數(shù)下，黃原膠水溶液的減阻率隨Re的變化并不呈現(xiàn)上述特性，而是在飽和穩(wěn)定后達到不同的減阻率。

為了更清楚明晰地進行分析，對3種質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的減阻特性逐一進行對比，如圖3所示。一方面，可以明顯發(fā)現(xiàn)：在飽和穩(wěn)定后，3種不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液的減阻率均比黃原膠水溶液的減阻率大，但其隨Re的變化卻有所不同。對于質(zhì)量分數(shù)為300×10-6的黃原膠鹽溶液(圖3(a))，當(dāng)Re低于4.1×104時，其減阻率低于黃原膠水溶液的減阻率；當(dāng)Re超過4.1×104時，才高于黃原膠水溶液的減阻率。而對于質(zhì)量分數(shù)為400×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液(圖3(b)、(c))，當(dāng)Re低于2.2×104時，其減阻率均低于黃原膠水溶液的減阻率；當(dāng)Re數(shù)超過2.2×104時，則高于黃原膠水溶液的減阻率。另一方面，對比減阻率數(shù)值也可發(fā)現(xiàn)：質(zhì)量分數(shù)為300×10-6、500×10-6的黃原膠鹽溶液，與相應(yīng)質(zhì)量分數(shù)黃原膠水溶液的飽和減阻率差異較小，均約為2%。但質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠鹽溶液，其飽和減阻率與黃原膠水溶液相比增加卻較多，約為9%。通過對圖2、3的綜合分析，可以認為向質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠水溶液中添加等量的NaCl是實驗條件下的最佳配比。

圖2、3中黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液在減阻穩(wěn)定后的減阻率大小差異，可以歸因于NaCl的添加導(dǎo)致黃原膠分子構(gòu)象發(fā)生變化。當(dāng)溶液中沒有添加NaCl時，黃原膠分子鏈以無序或部分按隨機斷裂的螺旋形式排列，且由于側(cè)鏈上帶電基團的靜電排斥而被高度拉伸。當(dāng)將NaCl加入到溶液中時，足夠多的鈉離子能夠消除分子鏈上負電荷產(chǎn)生的斥力。這些鈉離子與側(cè)鏈相結(jié)合，使黃原膠分子鏈變得平滑、具有彈性，分子間斥力減少，因此黃原膠在NaCl溶液中的粘度低于水溶液中的粘度。粘度降低的同時，黃原膠分子鏈會發(fā)生無序到有序的轉(zhuǎn)變，其中主鏈呈螺旋構(gòu)象，帶電的三糖側(cè)鏈將重構(gòu)回到主鏈上，從而穩(wěn)定有序構(gòu)象[15]。伴隨以上兩種變化，黃原膠鹽溶液的流變性也將發(fā)生變化。這些變化的綜合作用，將增大流體的湍流強度，并導(dǎo)致減阻率增大(即減阻率隨雷諾數(shù)增大而增大[16]，但非無限制增大)。因此，減阻穩(wěn)定后，相比黃原膠水溶液，黃原膠鹽溶液的減阻率較大。

圖3 3種質(zhì)量分數(shù)黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液減阻率隨Re變化的曲線對比

Fig.3Dragreductionratevs.RenumberforXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionforthreedifferentmassfractions

質(zhì)量分數(shù)為400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液在減阻飽和穩(wěn)定后的減阻率曲線基本一致(圖2(a))。初步研究表明：雖然黃原膠鹽溶液中的黃原膠分子的彈性模量隨著黃原膠質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，但其存在飽和現(xiàn)象，即在20℃條件下，超過一定質(zhì)量分數(shù)后，鹽的增加對黃原膠鹽溶液的粘度并無改變，反而可能因為NaCl含量過多，增加了黃原膠分子的剛性，使其彈性模量降低，導(dǎo)致減阻率增幅較小。而質(zhì)量分數(shù)為300×10-6的黃原膠鹽溶液中的NaCl含量又不足，故質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠鹽溶液中NaCl的含量最佳。

此外，對同一質(zhì)量分數(shù)下黃原膠鹽溶液與黃原膠水溶液的減阻率隨Re變化的減阻率曲線(圖3)，二者存在一個交叉轉(zhuǎn)變點，即：開始時黃原膠鹽溶液的減阻率低于黃原膠水溶液，隨后迅速增加并超過黃原膠水溶液。由于加鹽黃原膠溶液的剪切變稀行為比較復(fù)雜，除了與溶液離子強度、分子螺旋和無序構(gòu)象的不同狀態(tài)有關(guān)，也可能與黃原膠在具有各向異性或各向同性的溶液中復(fù)合的構(gòu)象變化相關(guān)。因此該現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是由于黃原膠分子與流動之間的相互作用程度不同，這導(dǎo)致黃原膠鹽溶液的減阻優(yōu)勢僅體現(xiàn)在較高雷諾數(shù)時，而在較低雷諾數(shù)下并無優(yōu)勢。

2.2 溫度效應(yīng)

從圖4可以看出：(1) 在不同溫度下，3種不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而趨于穩(wěn)定，且質(zhì)量分數(shù)越高，達到穩(wěn)定狀態(tài)的雷諾數(shù)越大；(2) 3種不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數(shù)均在較低雷諾數(shù)時受溫度影響比較明顯，且此時溫度越高，沿程阻力系數(shù)越接近Virk曲線(即減阻效果越好)，而減阻穩(wěn)定后，則無太大差異。因此，可以推斷黃原膠鹽溶液中的黃原膠分子構(gòu)象在較低雷諾數(shù)下對溫度較為敏感，而隨著雷諾數(shù)的增大，則表現(xiàn)出較強的耐溫性。

2.3 抗剪切特性

為研究黃原膠鹽溶液在連續(xù)循環(huán)剪切作用下的抗剪切特性以及機械降解的可逆性，在雷諾數(shù)約為7×104、水溫27℃的情況下，在20mm管徑中對質(zhì)量分數(shù)分別為300×10-6、400×10-6和500×10-6的黃原膠鹽溶液進行連續(xù)循環(huán)剪切。每組實驗進行3d，每天8h，然后靜置16h。實驗過程中，每隔1h記錄一次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。圖中也給出了黃原膠水溶液的抗剪切特性曲線以作對比。

圖4 不同溫度下的黃原膠鹽溶液的沿程阻力系數(shù)隨Re的變化曲線

Fig.4Thefrictionfactorvs.RenumberforXG/NaClsolutionatdifferenttemperatures

從圖5可以看出：(1) 無論NaCl添加與否，不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的減阻率均產(chǎn)生相應(yīng)降低，且減阻率均在第一天降幅明顯，隨后兩天下降趨勢變緩。而經(jīng)過為期3d、每天8h的連續(xù)循環(huán)剪切后，無論加不加鹽，質(zhì)量分數(shù)300×10-6和500×10-6的黃原膠溶液減阻率降幅均在17%左右，僅質(zhì)量分數(shù)400×10-6的黃原膠溶液減阻率降幅(無鹽，13%；加鹽，21%)與前兩種溶液有所不同，但變化也不大，表明與黃原膠水溶液相比，添加NaCl的黃原膠鹽溶液并沒有表現(xiàn)出抗降解優(yōu)勢。但基于黃原膠鹽溶液的減阻優(yōu)勢，剪切停止后其減阻率仍然高于黃原膠水溶液。(2) 在每次長時間靜置之后，減阻率都有微小回升，但是在連續(xù)剪切作用下，回升又迅速轉(zhuǎn)為下降，表明黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液的機械降解均是不完全可逆的；同時，也表明鹽的加入不能改變高聚物的結(jié)構(gòu)，也不能改變高聚物水溶液在管內(nèi)的湍流流動本質(zhì)。(3) 質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠鹽溶液雖然開始時與質(zhì)量分數(shù)為500×10-6黃原膠鹽溶液的減阻效果并無差異，但經(jīng)過連續(xù)剪切之后，其減阻率降低得非?？?，最后甚至低于質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠水溶液，尤其是在第一天降幅達到15%，隨后才變得平緩。對于這一現(xiàn)象，本文尚不能給出明確解釋，可能是因為當(dāng)質(zhì)量分數(shù)為400×10-6時，鹽含量與黃原膠質(zhì)量是最佳減阻配比，但二者之間的相互作用受剪切影響較大，會發(fā)生黃原膠分子重構(gòu)甚至解構(gòu)，導(dǎo)致其減阻效果迅速降低。

圖5 不同質(zhì)量分數(shù)黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液在機械剪切后的減阻率(Re=7×104)

Fig.5DragreductionrateofXG/NaClsolutionandXGaqueoussolutionaftermechanicalshearingatdifferentmassfractions(Re=7×104)

綜上所述，對于黃原膠鹽溶液和黃原膠水溶液而言，連續(xù)剪切導(dǎo)致的分子鏈斷裂均是不完全可逆的。經(jīng)過一系列高強度連續(xù)剪切后，其鹽溶液減阻率降幅最大為21%，說明添加NaCl的黃原膠鹽溶液與黃原膠水溶液一樣具有較好的抗降解性能。

3 結(jié) 論

采用實驗方法研究了不同質(zhì)量分數(shù)的黃原膠鹽溶液在光滑管道流動中的減阻特性，并與黃原膠水溶液進行了對比分析，主要結(jié)論如下：

(1) 黃原膠鹽溶液的減阻性能與鹽含量有關(guān)，且存在鹽含量與黃原膠質(zhì)量的最佳配比，并非鹽含量越高減阻性能越好。在本文實驗范圍內(nèi)，其最佳配比存在于質(zhì)量分數(shù)為400×10-6的黃原膠鹽溶液中。

(2) 在較低雷諾數(shù)下，添加NaCl的黃原膠鹽溶液的減阻效果不及黃原膠水溶液；而隨著雷諾數(shù)增加，黃原膠鹽溶液的減阻率迅速增加，在減阻穩(wěn)定后，表現(xiàn)出的減阻效果明顯優(yōu)于黃原膠水溶液。

(3) 黃原膠鹽溶液在不同溫度下的沿程阻力系數(shù)均隨雷諾數(shù)的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定后表現(xiàn)出較好的耐溫性。

(4) 黃原膠鹽溶液具有較好的抗剪切性能，但其機械降解仍是不完全可逆的，并沒有因為NaCl的添加而有所改觀。

以上是本文的主要結(jié)論，對黃原膠鹽溶液的減阻特性和減阻機理，還需開展進一步的實驗和探討。