论文标题：Filtration of Emulsions: The Population Balance Modeling

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-8015/6/1/4

期刊名：Liquids

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/liquids

Papine-Paktoris, S.; Trancoso Fernandes dos Santos, J.; Andersen, S.I.; Shapiro, A.A. Filtration of Emulsions: The Population Balance Modeling. Liquids 2026, 6, 4. https://doi.org/10.3390/liquids6010004

油田采出水处理与回注是石油工程环保与高效开发的关键环节，其中水包油乳液过滤效率直接决定地层堵塞风险与排放标准。本研究基于玻尔兹曼-斯莫鲁霍夫斯基理论构建全新乳液过滤群体平衡模型，同步考虑液滴粒径分布、孔隙截留与表面吸附双重捕集机制，以及液滴聚并行为，精准再现乳液过滤动态过程与渗透率衰减规律，为采出水处理工艺设计与地层保护提供定量预测工具。

研究指出，传统悬浮液过滤模型无法适配乳液体系：油滴可发生不可逆聚并，且通过孔隙截留（尺寸大于孔喉被卡堵）与表面吸附（界面力附着孔壁）两种方式被捕集，共同导致多孔介质渗透率下降。传统模型忽略液滴聚并与双重捕集耦合，难以准确预测出口液滴浓度与注入性衰减。

团队建立一体化群体平衡框架，将液滴按粒径离散化，耦合四大核心过程：对流运移、液滴间聚并、孔隙截留捕集、孔壁表面吸附。模型采用朗缪尔式捕集位点饱和规则，区分初级空位点捕集与次级在已沉积液滴上聚并，并基于Kozeny Carman方程推导渗透率衰减公式，分别量化表面吸附（体积效应）与孔隙截留（数量效应）对渗透率的贡献。

模型可覆盖四种典型工况：可聚并/不可聚并、仅截留/仅吸附/双重捕集，经典颗粒过滤模型为其特例。通过数值离散与两步参数优化算法，模型成功拟合Soo & Radke经典实验数据，准确再现不同初始液滴尺寸下的出口浓度穿透曲线与渗透率衰减趋势，拟合精度满足工程预测需求。

参数敏感性分析揭示关键规律：液滴出口浓度曲线对聚并核系数、捕集速率、位点容量高度敏感，呈非单调变化；而渗透率衰减曲线对多数参数不敏感，仅对孔隙截留系数响应显著。这一结论表明，仅依靠渗透率数据无法区分模型参数与机制，必须结合出口浓度历史才能实现可靠参数识别。

该模型突破传统乳液过滤简化假设，首次将群体平衡、聚并动力学与双重捕集机制统一耦合，适用于采出水处理、膜过滤、地层注入性保护等工程场景。研究为乳液流体在多孔介质中的动态捕集与演化提供了通用建模框架，对优化水处理工艺、降低地层伤害风险、满足严苛环保标准具有重要理论与应用价值。

期刊简介

主编：Prof. Dr. Enrico Bodo, University of Rome “La Sapienza”, Italy

Liquids ( ISSN 2673-8015) 创刊于2021年，是一本国际性、同行评审的开放获取期刊。期刊研究领域涵盖物理学中的液态理论、合成与分析化学、生物学的多个领域，以及工程学和气象学中的流体动力学等。目前，Liquids 已被ESCI (Web of Science)、Scopus (CiteScore 2.9)、CAPlus/SciFinder 等多个主要数据库收录。