01 为什么需要“智能递送”？

在石油开采、土壤修复和地下水治理等领域，人们经常面临一个棘手的技术难题：如何将化学药剂精准送达油水界面。传统的表面活性剂驱油方法虽然被广泛使用，但溶解态的表面活性剂往往沿着多孔介质中的优势流道运移，导致大量药剂在到达目标位置之前就被消耗或损失。这就好比用水管冲洗一个布满死角的水管网络——大部分水顺着最通畅的管道流走了，真正需要清洗的角落却依然有残留。

这一问题的本质在于，多孔介质中的油水界面分布极其不均匀。残余油通常被困在孔隙喉道、岩石表面凹槽和毛细管力捕获的区域，而这些区域恰恰是流体最难以到达的地方。溶解态的化学剂在运移过程中会发生吸附损失、与岩石表面的相互作用以及在非目标区域的提前消耗，导致真正到达油水界面的活性成分大打折扣。

为了解决这一长期存在的挑战，中国石油大学（华东）张丽媛教授团队与青岛科技大学程浩然副教授合作，提出了一种全新的孔隙尺度界面递送策略。他们开发了具有聚苯乙烯/聚乙二醇二丙烯酸酯（PS/PEGDA）复合壳层的油响应型微胶囊作为载体平台，能够在多孔介质中实现表面活性剂的精准递送和局部活化。该成果发表于化学工程领域顶级期刊 Chemical Engineering Journal。

“将活性物质递送至多孔介质中的流体-流体界面始终充满挑战，因为溶解物种遵循优势流动路径，在运移过程中发生非目标损失，因此在它们被需要的受限界面区域效率低下。”

02 核心思路：四步递送框架

研究团队建立了一个完整的孔隙尺度序列递送框架，包含四个关键步骤：运输保持、界面接近、界面捕获和局部活化。这一框架的核心设计理念在于，将载体的运输行为与孔隙尺度的界面过程紧密耦合，使表面活性剂“该沉默时沉默，该释放时释放”。

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运输保持：

水相中稳定运移，保护载荷不泄漏

Scheme 1. 本文提出的孔隙尺度作用流程示意图。微胶囊在水相中运移、向油水界面靠近、滞留于油-水-固三相接触区域，并定点释放表面活性剂。

如Scheme 1所示，这一框架的巧妙之处在于，微胶囊在到达目标位置之前保持“沉默状态”——壳层完整，载荷被牢牢保护在内。一旦接触到油相，复合壳层中的PS组分开始溶解，壳层孔隙增大，表面活性剂通过增大的孔隙通道向油-水界面释放，实现精准的局部活化。

03 微胶囊的精密制造

研究团队采用玻璃毛细管微流控技术制备W/O/W（水包油包水）双乳液模板，通过紫外光聚合将中间油相固化为复合壳层，从而得到单分散的微胶囊。这种方法的显著优势在于可以实现高度的尺寸均匀性和壳层结构可控性，相比传统批量乳化方法具有更高的包封效率和一致性。

图1. PS/PEGDA微胶囊的微流控制备与结构表征。（A）玻璃毛细管微流控装置示意图；（B）单分散微胶囊的光学显微镜图像（标尺50微米）；（C）SEM图像显示球形形貌和壳层结构；（D）FTIR光谱证实固化后丙烯酸酯乙烯基峰消失；（E）XPS光谱分析复合壳层表面化学组成；（F）复合PS/PEGDA壳层结构示意图。

制备得到的微胶囊直径为67.60微米，变异系数仅5.48%，表现出极高的尺寸均匀性。扫描电子显微镜（SEM）观察确认微胶囊呈球形，表面光滑，壳层厚度约为0.42微米。红外光谱（FTIR）分析显示，固化后丙烯酸酯相关的乙烯基特征峰（约1635 cm^-1）消失，表明PEGDA已完全聚合，同时PS和PEGDA骨架的特征峰保持完好。XPS分析进一步揭示，壳层表面富集PEGDA组分，而PS组分嵌入在壳层内部——这一“PEGDA外壳、PS内核”的非对称结构为后续的油响应行为奠定了材料基础。

04 壳层厚度调控与载荷保持

微流控技术的一大优势在于通过调控各相的流速比来精确控制壳层结构。研究团队发现，随着中间相与内相流速比（Qm/Qi）的增大，壳层厚度从约0.20微米增加到1.64微米，而表面活性剂的释放率则相应从9.25%降低到3.38%。这一结果表明，壳层厚度是调控载荷保持与释放之间平衡的关键参数。

更令人关注的是，微胶囊在高盐度环境（1.25 wt% NaCl，80°C）下的长期稳定性。在14天的测试中，壳层厚度为0.85微米的微胶囊累积释放量为18.39%，释放过程遵循一级动力学模型，而非突发式释放。这意味着壳层在严苛的地层条件下依然能够逐步地控制释放速率，保证大部分载荷在到达目标界面之前不被提前消耗。

图2. 流速控制的微胶囊结构与环境演化。（A）壳层厚度与流速比Qm/Qi的关系及SEM图像；（B）不同壳层厚度微胶囊在盐水中的释放率；（C）高温盐水中时间依赖的释放曲线和表面张力变化；（D）接触角演化及最终表面活性剂分布示意；（E）温和与严苛条件下孵育后的SEM图像；（F）FTIR光谱证实PEGDA/PS骨架保持完好；（G-I）壳层老化后的力学性能。

力学测试结果进一步表明，微胶囊在水相老化过程中不仅没有减弱，反而出现了“越老越强”的现象——压缩和拉伸韧性能量随老化时间逐渐增加。SEM图像显示，严苛条件下孕育后壳层表面变得更加粗糙和多孔，但FTIR证实PEGDA和PS的骨架结构完好无损。这种受控的形态演化增加了载荷传输通道，同时保留了足够的结构完整性，为后续的界面递送行为奠定了坚实基础。

关键发现

壳层在水相老化过程中发生受控的形态演化——表面变得更加多孔，但骨架保持完整，力学性能反而增强。这种“结构演化-功能保持”的双重特性，是实现运输阶段载荷保护的核心保障。

05 油诱导释放与界面定位

当微胶囊接触到油相后，真正的“魔法”开始发生。研究团队利用甲苯作为加速接触介质进行观察，发现微胶囊在1分钟内就迅速聚集到油-水界面，并在此后长时间驻留在界面区域。同样的行为在实际的原油-盐水体系中也被观察到：微胶囊从水相向油-水界面迁移并保持接触。荧光显微镜图像清晰地记录了这一过程。

图3. 油诱导释放与界面定位。（A-B）时间序列的合并光学/荧光显微图像，显示微胶囊向甲苯-盐水界面和石油-盐水界面的聚集过程；（C）油暴露后微胶囊的SEM图像；（D）油诱导释放机制示意图；（E）油浸泡后FTIR光谱变化；（F）模型油中浸泡时间依赖的流变学变化；（G-H）压缩和拉伸应力-应变曲线；（I）动态界面张力随时间的变化；（J）单个微胶囊接近油-水界面的运动轨迹和速度剖面；（K）界面附近的流场速度分布。

界面张力测量的结果令人振奋：添加微胶囊后，原油-盐水的界面张力从28 mN/m迅速降低，30秒内降至24.9 mN/m，120秒内降至18.7 mN/m，最终在900-1800秒内稳定在约9.7-10.1 mN/m。这一响应时间（特征时间约166秒）远短于体相盐水介质中的长期累积释放时间，说明一旦微胶囊进入油-水环境，释放过程高度集中在界面附近。

微粒图像测速（μPTV）分析揭示了更丰富的物理图景：微胶囊以有限速度向界面迁移，逐渐减速，一旦接触便突然停止。更重要的是，μPIV流场可视化显示，载有表面活性剂的微胶囊在接近界面时会产生局部切向流动扰动和界面环流，而无表面活性剂的对照组则几乎没有产生类似的扰动。这些证据表明，局部表面活性剂释放产生的Marangoni效应促进了微胶囊在界面的聚集和重新分布。

热力学计算支持了这一发现：在界面张力为28 mN/m时，微胶囊的界面吸附能约为-3.2 x 10^-11 J；即使界面张力降低至9.7 mN/m，吸附能仍约为-1.1 x 10^-11 J。这些数值远大于热涨落能量 k^BT（约4.9 x 10^-21 J），表明微胶囊一旦接触界面便被热力学“锁定”，自发脱附几乎不可能。

06 微观模型验证：从界面到孔隙

为了验证这一递送框架在多孔介质中的实际效果，研究团队在可视化的PDMS微观模型中进行了驱油实验。微观模型的主要通道直径分布在121至900微米之间，平均约440微米，为评估微胶囊与孔隙网络的尺寸匹配提供了定量基础。

一次水驱后，采收率为43.96%，留下大量残余油被困在孔隙网络中。随后使用溶解态表面活性剂驱替，Tween 80和SDS的增量采收率分别为11.14%和12.02%。而当表面活性剂通过微胶囊递送时，采收率显著提高——Tween 80负载微胶囊的增量采收率达到17.20%，SDS负载微胶囊达到20.58%，Span 80负载微粒为15.92%。

图4. 微观模型中载体辅助界面递送与孔隙尺度原油活化的验证。（A）溶解态表面活性剂和微胶囊体系的原油采收率对比；（B-F）μPIV流场可视化，展示水驱后和化学驱后的孔隙尺度速度场变化；（G-I）驱替后的荧光图像，显示颗粒在微观模型中的空间定位。

微观流场的可视化揭示了一个关键机制：溶解态表面活性剂仅能适度扩展活跃流动区域，而微胶囊体系（尤其是SDS负载微胶囊）能够大幅重新分配流场，使原本在溶解态表面活性剂驱替后仍然相对停滞的区域出现速度矢量。Tween 80负载微胶囊体系将主导流道的平均速度从20-30微米/秒提高到52微米/秒。这种流场重新分配的最合理解释是：瞬态孔隙占据、界面截留和局部释放共同将来液重新引导至此前未被充分扫及的区域，从而实现了微观界面作用与宏观波及效率的耦合提升。

表 1 不同驱替体系的采收率对比

核心设计原则

界面截留是必要的，但不是充分的。一个无法到达相关孔隙空间的载体，无法将界面亲和力转化为改善的采收率。微胶囊的尺寸必须与孔隙喉道尺寸良好匹配——“进得去”才能“起作用”。

驱替后的荧光成像提供了最终的空间证据：颗粒并非均匀分布在整个水相通道中，而是特异性地聚集在富含残余油的区域和油-水-固接触带——这正是残余油最难以被活化的位置。结合驱替前后微胶囊的SEM和EDS分析，可以看到壳层发生了明显的变形、部分坍塞和碎裂，证实了界面定位后油接触诱导的壳层重构和局部表面活性剂释放过程。

07 研究意义与展望

本研究建立了一种基于PS/PEGDA微胶囊的载体介导空间选择性递送策略，为多相多孔介质中的界面递送提供了新的设计范式。研究结果表明，采收率的提升并非仅仅来源于界面张力的降低，而是运输稳定性、界面定位、结构活化和孔隙可及性四个因素协同作用的结果。

从方法论角度看，该研究的创新之处在于建立了一个将载体运输行为与孔隙尺度界面过程耦合的研究框架。传统的评价体系往往只关注宏观采收率指标或单一的界面张力变化，而本研究通过微观流场可视化、粒子追踪测速、动态界面张力测量等多尺度表征手段，系统揭示了载体介导递送在孔隙尺度的工作机理。

该框架具有广泛的应用前景。除了提高原油采收率外，这种智能递送策略还可推广到土壤中有机污染物的靶向去除、地下水修复中的精确化学处理，以及其他涉及多相多孔介质中界面活化的工程场景。研究团队也指出，孔隙尺寸匹配和压力响应对载体辅助驱替至关重要，未来需要在岩心尺度上进行进一步验证。

一句话总结：PS/PEGDA微胶囊不是简单地“搬运”表面活性剂，而是一个能在运输中保持沉默、在到达界面后被“激活”的智能载体，实现了多孔介质中化学药剂的精准时空递送。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.179424

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