表面活性劑的性能測(cè)定與評(píng)價(jià)+16

1、中國(guó)石油大學(xué)（油田化學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)）實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)日期： 2015.11.10 成績(jī)： 班級(jí)：石工 學(xué)號(hào)：1302姓名： 教師： 同組者： 表面活性劑的性能測(cè)定及評(píng)價(jià)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解用指示劑和染料通過(guò)顯色反應(yīng)鑒別表面活性劑類(lèi)型的原理和方法；2、了解離子型表面活性劑克拉夫特點(diǎn)和非離子表面活性劑濁點(diǎn)的測(cè)定方法及不同類(lèi)型表面活性劑的性質(zhì)；3、學(xué)會(huì)一種表面活性劑的界面張力的測(cè)定原理和方法，并掌握由表面張力計(jì)算臨界膠束濃度（CMC）的原理和方法，學(xué)習(xí)Gibbs公式及其應(yīng)用；4、學(xué)會(huì)表面活性劑溶液與原油的油水界面張力的測(cè)定原理和方法，并掌握超低界面張力在三次采油中的作用機(jī)理；5、學(xué)會(huì)觀(guān)察表面活性劑溶液與原油混

2、合后的乳化現(xiàn)象，并掌握不穩(wěn)定體系數(shù)法評(píng)價(jià)表面活性劑的乳化能力。二實(shí)驗(yàn)原理 表面活性劑分子是由親水性的極性基團(tuán)和憎水性的的非極性基團(tuán)所組成的有機(jī)化合物，當(dāng)它們一低濃度存在于某一體系中時(shí)，可被吸附在該體系的表面上，采取極性基團(tuán)向著水，非極性基團(tuán)脫離水的表面定向，從而使表面自由能明顯降低。1、 表面活性劑類(lèi)型的鑒別不同類(lèi)型的表面活性劑具有不同的性質(zhì)，因此可采用不同的方法將它們鑒別出來(lái)。離子表面活性劑可利用他們的離子反應(yīng)來(lái)鑒別，非離子表面活性劑則利用其與金屬離子形成絡(luò)合物的顏色來(lái)鑒別。亞甲基藍(lán)屬陽(yáng)離子型有色物，在容量分析中可作指示劑使用，當(dāng)它遇陰離子表面活性劑時(shí)，生成不溶于水而溶于氯仿的產(chǎn)物，使氯仿層

3、色澤變深；如果實(shí)驗(yàn)液中含有陽(yáng)離子表面活性劑，由于陰陽(yáng)離子表面活性劑的結(jié)合，使亞甲基藍(lán)脫離陰離子表面活性劑而從氯仿中重新回到水中，使氯仿色澤變淺。2、 表面活性劑克拉夫特點(diǎn)和濁點(diǎn)離子型表面活性劑在溫度較低時(shí)溶解度很小，但隨溫度升高而逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)某特定溫度時(shí)，溶解度急劇陡升，把該溫度稱(chēng)為臨界溶解溫度又稱(chēng)克拉夫特點(diǎn)。濁點(diǎn)是非離子表面活性劑的一個(gè)特性參數(shù)，其受表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)和共存物質(zhì)的影響。表面活性劑在水溶液中，當(dāng)溫度升到一定值時(shí)，溶液中出現(xiàn)渾濁，而不完全溶解的現(xiàn)象，此時(shí)的溫度稱(chēng)為濁點(diǎn)溫度。3、 表面活性劑的表面張力及CMC的測(cè)定由于凈吸引力的作用，處于液體表面的分子傾向于到液體內(nèi)部來(lái)，因此

4、液體表面傾向于收縮。要擴(kuò)大面積，就要把內(nèi)部分子移到表面來(lái)，這就要克服凈吸引力作功，所作的功轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娣肿拥奈荒?。單位表面具有的表面能叫表面張力。在一定溫度、壓力下純液體的表面張力是定值。但在純液體中加入溶質(zhì)，表面張力就會(huì)變化。若溶質(zhì)使液體的表面張力升高，澤榮指在溶液相表面層的濃度小于在溶液相內(nèi)部的濃度；若溶質(zhì)使液體的表面張力降低，則溶質(zhì)在溶液相表面層的濃度大于在溶液相內(nèi)部的濃度。這種溶質(zhì)在溶液相內(nèi)部和溶液相表面濃度不同的現(xiàn)象叫吸附。在一定溫度、壓力下，溶質(zhì)的表面吸附量與溶液的濃度、溶液的表面張力之間的關(guān)系，可用吉布斯吸附等溫式表示：=-cRTddc式中 -吸附量（mol/L）c-吸附質(zhì)在溶液內(nèi)

5、部的濃度（mol/L） -表面張力（N/m）R-通用氣體常數(shù)（N.m/K.mol）T-絕對(duì)溫度（K）d/dc<0,溶質(zhì)為正吸附；反之，溶質(zhì)為負(fù)吸附。通過(guò)實(shí)驗(yàn)若能測(cè)出表面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，則可作出-c曲線(xiàn)，并在此曲線(xiàn)上任取若干個(gè)點(diǎn)作曲線(xiàn)的切線(xiàn)，這些曲線(xiàn)的斜率即為濃度對(duì)應(yīng)的d/dc,將此值代入公式可求出此濃度時(shí)的溶質(zhì)吸附量。表面活性劑的臨界膠束濃度是表面活性劑非常重要的性質(zhì)。若使溶液的表面擴(kuò)大，需對(duì)體系作功，增加單位表面積，對(duì)體系做的可逆功稱(chēng)為表面張力或表面自由能。他們的單位分別是N·m-1和J·m-2，在因此上是相同的。表面活性劑在溶液中能夠形成膠束時(shí)的最小濃度稱(chēng)為

6、臨界膠束濃度。在形成膠束時(shí)，溶液的一系列性質(zhì)都發(fā)生突變，原則上,可以用任何一個(gè)突變的性質(zhì)測(cè)定值，但最常用的是表面張力-濃度對(duì)數(shù)圖法。該法適合各種類(lèi)型的表面活性劑，準(zhǔn)確性好，不受無(wú)機(jī)鹽的影響，只是當(dāng)表面活性劑中混有高表面活性的極性有機(jī)物時(shí)，曲線(xiàn)中出現(xiàn)最低點(diǎn)。吊環(huán)法 把一圓環(huán)平置于液面，測(cè)量將環(huán)拉離液面所需最大的力，由此可計(jì)算出液體的表面張力。假設(shè)當(dāng)環(huán)被向上拉起時(shí)，環(huán)就帶起一些液體。當(dāng)提起液體的質(zhì)量mg與沿環(huán)液體交界處的表面張力相等時(shí)，液體質(zhì)量最大。再提升則液環(huán)斷開(kāi)，環(huán)脫離液面。設(shè)環(huán)拉起的液體呈圓筒形，對(duì)環(huán)的附加拉力P為： P=mg=2R+2（R+2r）=4（R+r）+4R 式中：m拉起來(lái)的液體重

7、量； R環(huán)的內(nèi)半徑； r環(huán)絲半徑。4、表面活性劑的油水界面張力的測(cè)定在地層溫度下，表面活性劑溶液與原油的界面張力在10010-6mN·m-1范圍，可用旋滴法測(cè)定該體系的油水界面張力，為選擇各種與原油形成低或超低界面張力的驅(qū)油劑溶液提供基礎(chǔ)依據(jù)。該方法是將有地懸浮在水中，再告訴繞水平軸旋轉(zhuǎn)下將有地拉成柱形，柱體的直徑和界面張力有關(guān)，在相同條件下，油柱直徑越小，界面張力越低。圖2 液滴在毛細(xì)管中的形狀旋滴法測(cè)定界面張力時(shí)，有地在樣品管中高速旋轉(zhuǎn)，呈橢球形，橢球的長(zhǎng)軸直徑為L(zhǎng)，短軸直徑為D當(dāng)L/D4時(shí)，界面張力按下式計(jì)算： 式中： 油水密度差，kg/m； 樣品管轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；

8、r油滴短軸半徑，m。5、表面活性劑的乳化張力的測(cè)定表面活性劑分子具有親水基和親油基，可分別在油水界面上，這些表面活性物質(zhì)可使原油乳化形成水包油（O/W）乳狀液。水包油乳狀液的形成與穩(wěn)定對(duì)于化學(xué)驅(qū)和稠油乳化降粘具有重要作用，例如化學(xué)驅(qū)中的乳化-攜帶，乳化-捕集，自發(fā)乳化等機(jī)理的發(fā)生，稠油乳化降粘中原油乳化分散機(jī)理的發(fā)生都是以水保乳狀油液的形成為前提條件的。因此表面活性劑是提高石油采收率和原油集輸中十分重要的一類(lèi)添加劑。表面活性劑的乳化能力可用不穩(wěn)定系數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。乳狀液的穩(wěn)定性可用不穩(wěn)定系數(shù)（USI）表示，不穩(wěn)定系數(shù)按下式定義： 式中 USI不穩(wěn)定系數(shù)（mL）； V(t)乳化體系分出水體積與時(shí)間

9、的變化函數(shù)； T乳化體系靜止分離的時(shí)間。從定義式可以看出，不穩(wěn)定系數(shù)越小，乳狀液的穩(wěn)定性越差。三、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品1、儀器表面張力儀、Texas-500型旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀、WZS-1型阿貝折光儀、密度瓶、溫度計(jì)、25ml具塞刻度試管、大試管、攪拌器、500ml燒杯、150ml燒杯、50ml燒杯、15ml移液管、50ml容量瓶、100ml量筒、滴管、試管架、秒表、電爐、電子天平。2、藥品十二烷基硫酸鈉（SDS）/十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10）,脫水原油/煤油，蒸餾水。濃硫酸（AR）、無(wú)水硫酸鈉（AR）、氯仿（CP）、滲透劑（磺酸鹽或硫酸酯型陰離子表面活性劑）

10、；亞甲基藍(lán)溶液；稱(chēng)取0.03g亞甲基藍(lán)，用水調(diào)勻，加入12g濃硫酸和50g無(wú)水硫酸鈉，用蒸餾水溶解并稀釋至1000ml；0.05%陰離子表面活性劑溶液（滲透劑OT），若無(wú)滲透劑OT，可用其他磺酸鹽或硫酸酯型陰離子表面活性劑代替，但需水溶性的。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、吊片法用吊片法首先測(cè)定蒸餾水的表面張力，對(duì)儀器進(jìn)行校正。然后從稀至濃一次測(cè)定SDBS溶液，并計(jì)算表面張力，做出表面張力-濃度對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，拐點(diǎn)處即為CMC值。如希望準(zhǔn)確測(cè)定值，在拐點(diǎn)處增加幾個(gè)測(cè)定值即可實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下： 將儀器放在不受震動(dòng)和平穩(wěn)的地方，調(diào)節(jié)儀器下面的螺絲把儀器調(diào)到水平狀態(tài)。用熱洗液浸泡鉑絲和裝測(cè)試液的玻璃杯，然后用蒸餾水洗凈

11、，烘干。鉑絲應(yīng)十分平整，洗凈后不能用手觸摸。 開(kāi)機(jī)，預(yù)熱30min。 配置表面活性劑溶液（一般情況下，配置的表面活性劑溶液濃度范圍為1×10-61×10-3mol/L），用配置好的溶液潤(rùn)洗玻璃杯。 將自動(dòng)張力儀與超級(jí)恒溫水浴相連。 顯示標(biāo)志為：“A”或“F”時(shí)調(diào)整升降桿，調(diào)整范圍是010mN/m。 將表明活性劑水溶液倒入玻璃杯中至一定深度，掛上鉑片，點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕。 等溫度恒定以后，點(diǎn)“上升”按鈕，升高升降臺(tái)使鉑金環(huán)浸入液面下57mm處，點(diǎn)擊“停止”按鈕，當(dāng)出現(xiàn)“H”時(shí)點(diǎn)“零點(diǎn)”按鈕，然后點(diǎn)“下降”和“保持”按鈕，記錄顯示的最大拉力值P。 根據(jù)測(cè)定的表面活性劑不同濃度C時(shí)

12、溶液的表面張力，繪制-logC曲線(xiàn)。2、表面活性劑油水界面張力的測(cè)定用0.5%NaCl模擬鹽水排至0.1%的SDS水溶液；首先用密度計(jì)測(cè)量原油與表面活性劑溶液的密度。用WZS-1型阿貝折光儀測(cè)定化學(xué)劑溶液的折光率。通過(guò)Texas-500型界面張力儀測(cè)量油珠在同業(yè)中的拉伸長(zhǎng)度及直徑，并用軟件進(jìn)行圖像采集和分析，計(jì)算油水動(dòng)態(tài)界面張力。界面張力測(cè)定步驟如下：開(kāi)機(jī)，預(yù)熱A：接通界面張力儀及電腦電源，開(kāi)機(jī)。B：按下界面張力儀上的溫度設(shè)定按鈕的同時(shí)調(diào)節(jié)溫度按鈕設(shè)定溫度。C：打開(kāi)界面張力測(cè)定軟件，鏈接視頻。鏈接視頻時(shí)需要設(shè)定樣品名稱(chēng)，及相關(guān)參數(shù)。裝樣A樣品管依次用石油醚，丙酮（或乙醇）清洗23遍，最后用蒸餾

13、水清洗干凈34遍。B用注射器注入所測(cè)定的外相溶液（水相），注意不能注進(jìn)氣泡。C用注射器注入內(nèi)相（油相），若是油相較粘稠，則用枕頭挑起一個(gè)小油滴，送入樣管內(nèi)，將枕頭貼在樣管內(nèi)壁病轉(zhuǎn)動(dòng)，使油滴粘在試管內(nèi)壁，然后迅速拔出針頭，蓋上樣品帽。測(cè)定A·儀器達(dá)到設(shè)定的溫度后，將樣品管裝入旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)，擰緊壓緊帽。B·將觀(guān)測(cè)顯微鏡調(diào)整到合適的位置，以利于觀(guān)測(cè)。C·按下電機(jī)開(kāi)關(guān)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，選擇測(cè)定軟件的“數(shù)據(jù)菜單”，然后打開(kāi)“數(shù)據(jù)”菜單，點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”，程序開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。3、 表面活性劑乳化能力的測(cè)定（1）取25ml具塞刻度試管10支，分別加入濃度為 0,的SDBS溶液各10ml，分

14、別用滴管準(zhǔn)確加入原油（或煤油）10ml，蓋上試管塞子，每支試管上下震蕩30次。（2）將震蕩后的試管立即垂直放在試管架上，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并每隔3min記錄一次試管中分出水的體積（若分出水的速度較快，可每1min記錄一次），共記錄30min。（3）取乳化最穩(wěn)定的直觀(guān)重新震蕩30次，用分散法判別乳狀液的類(lèi)型。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、整理所測(cè)得的表面張力數(shù)據(jù)，繪制-LogC曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)求出CMC值表1 吊環(huán)法測(cè)量表面張力實(shí)驗(yàn)記錄表溶液濃度mol/L最大拉力值，mN/m01.0x10-11.0x10-21.0x10-31.0x10-41.0x10-5175.1628.4830.6333.3644.4957

15、.73275.0429.9130.2533.9944.8357.85375.2127.4727.0533.8443.9457.94平均值75.1428.6229.3133.7344.4257.84圖3 與logC關(guān)系曲線(xiàn)由圖3可得，CMC值為10-3.01mol/L。 2、整理所測(cè)得的界面張力數(shù)據(jù)，繪制界面張力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)-t曲線(xiàn)。 界面張力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如下圖：圖4界面張力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)實(shí)驗(yàn)中油滴SDS10-2在毛細(xì)管中形狀實(shí)驗(yàn)中油滴SDS10-1在毛細(xì)管中形狀實(shí)驗(yàn)中油滴SDbs10-2在毛細(xì)管中形狀實(shí)驗(yàn)中油滴SDbs10-1在毛細(xì)管中形狀3、求出表面活性劑在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的乳化原油的不

16、穩(wěn)定系數(shù)。取乳化穩(wěn)定的三組數(shù)據(jù)表3 乳化力測(cè)定實(shí)驗(yàn)記錄表濃度mol/L01234691215182125300101010101010101010101010100.110455.566.16.56.56.56.50.0157.588.38.58.58.58.58.58.50.0016.588.59.19.29.29.29.29.29.20.000155.56.57.58.39.09.49.59.59.59.59.59.50.0000179.51010101010101010101010繪制V-t圖像如下析出水體積與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)由不穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式：USI=0TV(t)dtT得： 0mol/L

17、: USI1=10；0.1mol/L: USI2=2.7091；0.01mol/L:USI3=8.151； 0.001mol/L:USI4=8.855；0.0001mol/L: USI5=9.030；0.00001mol/L: USI6=9.942；六、思考與討論1、為什么離子型表面活性劑存在克拉夫特點(diǎn)和非離子表面活性劑存在濁點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該如何考慮這些特點(diǎn)？答：克拉夫特點(diǎn)：離子型表面活性劑在溫度較低時(shí)溶解度很小，但隨溫度升高而逐漸增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)某特定溫度時(shí)，溶解度急劇陡升，把該溫度稱(chēng)為克拉夫特點(diǎn)?？死蛱攸c(diǎn)對(duì)應(yīng)的表面活性劑的濃度為臨界膠束濃度,隨著溫度的升高，離子型表面活性劑在溶液中將以膠

18、束的形式存在，溶解度會(huì)急劇增加，所以離子型表面活性劑存在克拉夫特點(diǎn)。非離子表面活性劑與水分子之間可以形成氫鍵，溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氫鍵將被破壞，溶解度降低，溶液出現(xiàn)渾濁，所以非離子表面活性劑存濁點(diǎn)?？死蛱攸c(diǎn)和濁點(diǎn)都與溫度有關(guān)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意溫度不宜太高。2、表面活性劑和原油的超低油水界面張力范圍是多少，界面張力的降低是通過(guò)什么原理提高地層原油采收率的？答：超低界面張力范圍低于0.001mN/m。通過(guò)降低界面張力可以提高洗油效率，從而提高地層原油采收率。 3、表面活性劑的乳化原油的基本條件是什么，乳化作用是通過(guò)什么原理提高地層原油采收率的？答：基本條件為乳化后形成具有一定的強(qiáng)度的界面膜，因此表面活性劑要有足夠的濃度及具有適宜的分子結(jié)構(gòu)。乳化是通過(guò)降低原