国家自然科学基金重点项目答辩-48页文档资料课件.ppt
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- 国家自然科学基金 重点项目 答辩 48 文档 资料 课件
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1、2019年度国家基金重点项目申请答辩年度国家基金重点项目申请答辩 (包头包头, 7月月30日日)申请项目名称:申请项目名称:高分子电解质材料在工程高分子电解质材料在工程 申申 请请 人:人:郑郑 强强依依 托托 单单 位:位:浙江大学浙江大学合合 作作 单单 位:位:南京大学南京大学 中科院长春应化所中科院长春应化所 应用中的基础问题研究应用中的基础问题研究一、项目背景及课题的提出一、项目背景及课题的提出二、项目主要研究内容二、项目主要研究内容三、项目的研究方案三、项目的研究方案四、项目实施的可行性四、项目实施的可行性五、项目的特色与总体目标五、项目的特色与总体目标一、项目背景及课题的提出一、
2、项目背景及课题的提出2019年度国家基金委工程与材料科学部年度国家基金委工程与材料科学部有机高分子材料学科所列重点项目指南有机高分子材料学科所列重点项目指南通用和特种高分子材料高性能化中的的基础科学问题通用和特种高分子材料高性能化中的的基础科学问题与生命科学相关的高分子材料的基础研究与生命科学相关的高分子材料的基础研究有机高分子功能材料:具有光、电、磁、吸附与分有机高分子功能材料:具有光、电、磁、吸附与分离功能材料的可控制备和应用的基础研究离功能材料的可控制备和应用的基础研究与能源、环境、资源利用相关的高分子材料的基础研究与能源、环境、资源利用相关的高分子材料的基础研究 环境保护是目环境保护是
3、目前世界尤其是我国前世界尤其是我国面临的重大问题面临的重大问题项目背景项目背景 能源、资源已成为能源、资源已成为当今世界尤其是我国可当今世界尤其是我国可持续发展的重大问题持续发展的重大问题研究背景研究背景国民经济和社会发展的重大需求国民经济和社会发展的重大需求能能 源源高效开采高效开采(原油)(原油) 驱油剂驱油剂资资 源源环环 境境 絮凝剂絮凝剂高分子电解质(聚电解质)材料高分子电解质(聚电解质)材料污染治理污染治理(污水)(污水) 聚电解质材料的溶液特性与流变行为,聚电解质材料的溶液特性与流变行为,是其在工程应用中最主要的基础科学问题是其在工程应用中最主要的基础科学问题 对固态材料而言,凝
4、聚态结构是决定其对固态材料而言,凝聚态结构是决定其品质和最终使用性能的关键品质和最终使用性能的关键 对液态材料而言,溶液结构和流变行为是对液态材料而言,溶液结构和流变行为是决定其品质和最终使用性能的关键决定其品质和最终使用性能的关键 一次(自能量衰减)采油一次(自能量衰减)采油 二次(注水)采油二次(注水)采油 三次(驱)采油三次(驱)采油意味着意味着三次采油主要采用聚合物驱油三次采油主要采用聚合物驱油剂来实现,剂来实现,聚电解质聚电解质是最理想是最理想的聚合物驱油剂的聚合物驱油剂原油采收率原油采收率(%)重大需求背景重大需求背景1三次采油三次采油5-105-10 30-4030-4050-7
5、050-70我国油田平均采收率仅我国油田平均采收率仅34.2%34.2%我国有近我国有近100100亿吨亿吨探明石油地质储量无法开采探明石油地质储量无法开采三次采油的关键三次采油的关键聚电解质驱油剂的突破聚电解质驱油剂的突破开展新型高效聚电解质驱油剂的研究,探明并调控其溶液开展新型高效聚电解质驱油剂的研究,探明并调控其溶液性质以及在使用过程中的特殊流变行为,具有重要意义性质以及在使用过程中的特殊流变行为,具有重要意义聚电解质驱油剂分子结构形态调控聚电解质驱油剂分子结构形态调控驱油剂剪切降解与环境降解驱油剂剪切降解与环境降解聚电解质效应与驱油机制的关系聚电解质效应与驱油机制的关系 重大需求背景重
6、大需求背景2我国的水资源环境日益恶化我国的水资源环境日益恶化 污染状况调查表明,中国污染状况调查表明,中国532532条主要河流中条主要河流中, ,82%82%受到不同程度的污染;受到不同程度的污染;在中国人口密集的地区,湖泊、水库已经在中国人口密集的地区,湖泊、水库已经全部全部受到了污染。受到了污染。我国制污投入进一步加大我国制污投入进一步加大20192019年全国废水治理投资年全国废水治理投资133.7133.7亿元亿元,比上年分别增加,比上年分别增加26.6%26.6%。我国污水排放量不断增大我国污水排放量不断增大20192019年全国废水排放总量年全国废水排放总量482.4482.4亿
7、吨亿吨,比上年增加,比上年增加4.9%4.9%。20192019年全国废水排放总量年全国废水排放总量524.5524.5亿吨亿吨,比上年增加,比上年增加8.7%8.7%。污水治理污水治理我国每年废水处理用絮凝剂我国每年废水处理用絮凝剂约约150 200万吨万吨,最主要的,最主要的是高分子絮凝剂是高分子絮凝剂. .其中,絮凝其中,絮凝效率最高的是效率最高的是聚电解质聚电解质污水处理的关键污水处理的关键聚电解质絮凝剂的突破聚电解质絮凝剂的突破聚电解质絮凝剂分子结构形态调控聚电解质絮凝剂分子结构形态调控聚电解质絮凝剂的缔合凝聚(凝胶化)聚电解质絮凝剂的缔合凝聚(凝胶化)聚电解质絮凝剂的电离、迁移与絮
8、凝效率聚电解质絮凝剂的电离、迁移与絮凝效率开展新型高效聚电解质絮凝剂的研究,探明并调控其溶液开展新型高效聚电解质絮凝剂的研究,探明并调控其溶液性质以及在使用过程中的凝聚行为,具有重要意义性质以及在使用过程中的凝聚行为,具有重要意义聚电解质基础研究现状聚电解质基础研究现状1对聚电解质不能完全离解现象至今仍对聚电解质不能完全离解现象至今仍停留在不完整的定性说明阶段停留在不完整的定性说明阶段 对对“聚电解质效应聚电解质效应”本质的解释本质的解释存在严重误导存在严重误导 溶液性质溶液性质聚电解质的溶液特性的研究亟待深入聚电解质的溶液特性的研究亟待深入对驱油作用(增粘)与聚电解质溶液性质的关系对驱油作用
9、(增粘)与聚电解质溶液性质的关系还有待阐明还有待阐明对絮凝作用与聚电解质溶液性质(电导、迁移)的关系对絮凝作用与聚电解质溶液性质(电导、迁移)的关系尚不清楚尚不清楚聚电解质基础研究现状聚电解质基础研究现状2Thuresson et al.指出,添加少量表面活性剂使聚电解质溶液体系指出,添加少量表面活性剂使聚电解质溶液体系的动态粘度有数量级的提高,的动态粘度有数量级的提高,但原因不明但原因不明Tsitsilianis et. al考察了考察了Ps-PANa-Ps三嵌段聚电解质溶液的静态三嵌段聚电解质溶液的静态和动态流变学,和动态流变学,对一些现象还不能解释对一些现象还不能解释 Tadros et
10、. al发现,电解质溶液可明显改变煤发现,电解质溶液可明显改变煤/水体系流变特性,水体系流变特性,进而改变输送特性和稳定性,进而改变输送特性和稳定性,但尚不系统但尚不系统 Cosgrove et al.发现,少量聚电解质发现,少量聚电解质NaPAMPS的加入使胶原粘度的加入使胶原粘度大幅增高并产生明显的触变行为大幅增高并产生明显的触变行为, 但机理不明但机理不明 Macromolecules 2000, 33, 1199Langmuir 2019, 12, 530Langmuir 2019,11Macromolecules 2019, 35, 3662流变特性流变特性聚电解质的流变特性亟需开展
11、聚电解质的流变特性亟需开展申请项目的科学问题申请项目的科学问题聚电解质材料聚电解质材料絮凝剂絮凝剂驱油剂驱油剂驱油效率驱油效率独特的溶液性质独特的溶液性质粒子填充、相分离、悬浮、粒子填充、相分离、悬浮、剪切形变剪切形变 复杂的流变行为复杂的流变行为聚电解质效应、电离、聚电解质效应、电离、电导、迁移电导、迁移 加注和输送加注和输送 絮凝效应絮凝效应 凝聚行为凝聚行为二、项目主要研究内容二、项目主要研究内容聚电解质溶液聚电解质溶液电离与电导行为电离与电导行为聚电解质的溶液结构、流变聚电解质的溶液结构、流变 特性与驱油特性与驱油/ /絮凝功效絮凝功效聚电解质溶液的聚电解质溶液的 特征流变行为特征流变
12、行为主要研究内容主要研究内容 拟解决的关键科学问题拟解决的关键科学问题 聚电解质溶液剪切流变行为的模型聚电解质溶液剪切流变行为的模型 “聚电解质效应聚电解质效应”的本质的本质 聚电解质结构与特殊溶液性质、流变行为的关系以及聚电解质结构与特殊溶液性质、流变行为的关系以及在复杂外场下驱油剂与絮凝剂的功效在复杂外场下驱油剂与絮凝剂的功效 三、项目的研究方案三、项目的研究方案 验证验证“动态接触浓度动态接触浓度” 划分聚电解质溶液浓度区间的普适性、正划分聚电解质溶液浓度区间的普适性、正确性确性(粘度法、激基荧光光谱、激光光散射)(粘度法、激基荧光光谱、激光光散射)(一)聚电解质溶液部分(一)聚电解质溶
13、液部分 考察不同浓度划分区域不同类型聚电解质溶液的离解行为考察不同浓度划分区域不同类型聚电解质溶液的离解行为 (pH电极电极法、电导法)法、电导法) 探索聚电解质溶液粘度探索聚电解质溶液粘度-浓度特异关系浓度特异关系(Langmiur等温式,等温式,2 3种自制的不同材质毛细管粘度计)种自制的不同材质毛细管粘度计)(二)聚电解质流变部分(二)聚电解质流变部分均一聚电解质溶液的稳态、动态剪切流变特性均一聚电解质溶液的稳态、动态剪切流变特性(AR-G2流变流变仪,稳态旋转粘度计和圆筒式动态流变测定)仪,稳态旋转粘度计和圆筒式动态流变测定)聚电解质聚电解质/ /添加物混合体系的复杂流变行为添加物混合
14、体系的复杂流变行为( AR-G2流变仪,流变仪,稳态旋稳态旋转粘度计和圆筒式动态流变测定、流变转粘度计和圆筒式动态流变测定、流变- -光散射溶液性质表征)光散射溶液性质表征) 复杂条件下聚电解质溶液剪切流动与凝胶化的测定与模拟复杂条件下聚电解质溶液剪切流动与凝胶化的测定与模拟 (自建的流变参数测定装置)(自建的流变参数测定装置) (三)驱油(三)驱油/絮凝功效部分絮凝功效部分模拟模拟絮凝絮凝/ /驱油条件下模型聚电解质的增粘机制及其与驱油驱油条件下模型聚电解质的增粘机制及其与驱油/ /絮絮凝效果间构效关系凝效果间构效关系(稳态粘度与动态粘度法)(稳态粘度与动态粘度法)疏水改性聚电解质疏水改性聚
15、电解质不同环境下的疏水缔合凝聚、增粘模型不同环境下的疏水缔合凝聚、增粘模型(DLS 、SLS、GPC-LS-联用、粘度法)联用、粘度法)模拟模拟驱油驱油/ /絮凝条件下模型聚电解质的增粘机制及其与驱油絮凝条件下模型聚电解质的增粘机制及其与驱油/ /絮凝絮凝效果间构效关系效果间构效关系(链段长度、序列结构,电荷种类和强度,(链段长度、序列结构,电荷种类和强度,pHpH值,值,浓度和温度及时间等因素的影响)浓度和温度及时间等因素的影响)嵌段型聚电解质在溶液中的构象及形态嵌段型聚电解质在溶液中的构象及形态(动态光散射跟踪组装和(动态光散射跟踪组装和形态变化过程)形态变化过程)嵌段型聚电解质嵌段型聚电
16、解质四、项目实施的可行性四、项目实施的可行性可行性分析可行性分析 已有工作基础已有工作基础聚电解质溶液研究基础聚电解质溶液研究基础复杂流体流变学研究基础复杂流体流变学研究基础溶液研究基础:溶液研究基础:(1) 高分子溶液浓度区间的初步划分高分子溶液浓度区间的初步划分Km 0 分子间范德华力分子间范德华力 非聚电解质溶液非聚电解质溶液+部分聚电解质溶液部分聚电解质溶液Km = 0 库伦力库伦力 聚电解质溶液聚电解质溶液 Km:有效自缔合常:有效自缔合常数数团簇理论:团簇理论: sp / C = + 6 Km CHuggins公式公式: sp / C = + kH 2 C Km = kHh h /
17、 6KH:Huggins斜率常数斜率常数极稀溶液极稀溶液稀溶液稀溶液亚浓溶液亚浓溶液浓溶液浓溶液动态接触浓度动态接触浓度交叠浓度交叠浓度静态接触浓度静态接触浓度临界缠结浓度临界缠结浓度0C*CsC+CC*动态接触浓度概念的提出,为正确理解聚动态接触浓度概念的提出,为正确理解聚电解质的溶液特性开辟了新的途径电解质的溶液特性开辟了新的途径 Cheng RS., Macromol. Symp. , 2019, 124, 27.Pan Y., Cheng RS, Chin. J. Polym. Sci., 2000, 18, 57.溶液研究基础:溶液研究基础:(2) 高分子溶液粘度的界面效应高分子溶液
18、粘度的界面效应0k溶质的吸附溶质的吸附0k滑流滑流K:有效吸附层厚度有效吸附层厚度true,intexp,rrfCCkCfa1intFint:界面校正因子,与浓度有关界面校正因子,与浓度有关)/(1 (0oaCCACCVGSA/高分子稀溶液粘度的普适公式高分子稀溶液粘度的普适公式为从理论上分析并验证聚电解质效应的本质提供了可能为从理论上分析并验证聚电解质效应的本质提供了可能溶液研究基础:溶液研究基础:(3) 聚电解质溶液聚电解质溶液奇异的粘度奇异的粘度-浓度浓度依赖关系依赖关系00.0010.0020.0030.00405001000150000.0010.0020.0030.00402004
19、006008001000Methyl salt Butyl salt sp/C sp/CC, g/mlC, g/ml极稀溶液的粘度随浓度减小而急剧增大的反常现象极稀溶液的粘度随浓度减小而急剧增大的反常现象Cheng RS et al. (to be Submitted)由聚电解质的开拓者、美国科学由聚电解质的开拓者、美国科学家家Fuoss教授提出教授提出实验点实验点“聚电解质效应聚电解质效应” (J. Polym. Sci. , Polym. Phys. Ed. 3, 603, 1948)聚电解质以棒状存在聚电解质以棒状存在理论模拟值理论模拟值聚电解质效应本质聚电解质效应本质 界面吸附效应界面
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