中国石油大学-表面活性剂的性能测定与评价

中国石油大学油田化学实验报告实验日期:成绩:班级:学号:姓名:教师:同组者:表面活性剂的性能测定与评价一、实验目的1.学会一种表面活性剂的表面张力的测定原理和方法，并掌握由表面张力计算临界胶束浓度（CMC）的原理和方法，学习Gibbs公式及其应用。2.学会表面活性剂溶液与原油的油水界面张力的测定原理和方法，并掌握超低界面张力在三次采油中的作用原理。3.学会观察表面活性剂溶液与原油混合后的乳化现象；并掌握用不稳定系数法评价表面活性剂的乳化能力。二、实验原理表面活性剂分子是由具有亲水性的极性基团和具有憎水性的非极性基团所组成的有机化合物，当它们以低浓度存在于某一体系中时，可被吸附在该体系的表面上，采取极性基团向着水，非极性基团脱离水的表面定向，从而使表面自由能明显降低。1.表面活性剂的表面张力及CMC的测定单位表面具有的表面能叫表面张力。在一定温度、压力下纯液体的表面张力是定值。但在纯液体中加入溶质，表面张力就会发生变化。若溶质使液体的表面张力升高，则溶质在表面相表面层的浓度小于在溶液相内部的浓度；若溶质使液体的表面张力降低，则溶质在溶液相表面层的浓度大于在溶液相内部的浓度。溶质在溶液相表面的浓度和相内部的浓度不同的现象叫吸附。在一定温度、压力下，溶质的表面吸附量与溶液的浓度、溶液的表面张力之间的关系，可用吉布斯（Gibbs）吸附等温式表示：dcdRTc-（1）式中：Г——吸附量（mol/L）c——吸附质在溶液内部的浓度（mol/L）σ——表面张力（N/m）R——通用气体常数（N·m/K·mol）T——绝对温度（K）通过实验若能测出表面张力与溶质浓度的关系，则可作出σ-c曲线，并在此曲线上任取若干个点作曲线的切线，这些曲线的斜率即为浓度对应的dσ/dc，将此值代入公式（1）可求出在此浓度时的溶质吸附量。表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）是表面活性剂溶液非常重要的性质。若使液体的表面扩大。需对体系做功，增加单位面积时，对体系做的可逆功称为表面张力或表面自由能。表面活性剂在溶液中能够形成胶束时的最小浓度称为临界胶束浓度，在形成胶束时，溶液的一系列性质都发生突变，原则上，可以用任何一个突变的性质测定值。但最常用的是表面张力-浓度对数图法。表面张力的测定方法也有多种，较为常见的方法有最大压差法、滴体积法和拉起液膜法（吊环法及吊片法）。吊环法：把一圆环平置于液面，测量将环拉离液面所需最大的力，由此可计算出液体的表面张力。2.表面活性剂的油水界面张力的测定在地层温度下，表面活性剂溶液与原油的界面张力在100~10-6mN·m-1范围，可用旋滴法测定该体系的油水界面张力。该2方法是将油珠悬浮在水（或水溶液）中，在高速绕水平轴旋转下将油珠拉成柱形，柱体的直径与表面张力有关。在相同条件（转速、油水相密度差）下，油柱直径越小，界面张力越低。旋滴法测定界面张力时，油滴在样品管中高速旋转，呈椭球形，椭球的长轴直径为L，短轴直径为D，当L/D≥4时，界面张力按下式计算：432rIFT（2）式中——油水密度差，kg/m——样品管转动的角速度，rad/sr——油滴短轴半径,m3.表面活性剂的乳化张力的测定表面活性剂分子具有亲水基和亲油基，可分布在油水界面上，这些表面活性物质可使原油乳化形成水包油（O/W）乳状液。水包油乳状液的形成与稳定性对于化学驱和稠油乳化降粘具有重要作用，例如化学驱中乳化-携带、乳化-捕集、自发乳化等机理的发生，稠油乳化降粘中原油乳化分散机理的发生都是以水包乳状油液的形成为前提条件的。因此表面活性剂是提高石油采收率和原油输送中十分重要的一类添加剂。表面活性剂的乳化能力可用不稳定系数法进行评价。乳状液的稳定性可用不稳定系数（USI）表示。不稳定系数按式（3）定义：TdttVUSIT0)((3)式中USI——不稳定系数（ml）V(t)——乳化体系分出水体积与时间的变化函数T——乳化体系静止分离的时间从定义式可以看出，不稳定系数越小。乳状液的稳定性越好。三、仪器与药品1.仪器表面张力仪、Texas-500型旋转液滴界面张力仪、WZS-1型阿贝折光仪、密度瓶、温度计、25ml具塞刻度试管、大试管、搅拌器、500ml烧杯、150ml烧杯、50ml烧杯、15ml移液管、50ml容量瓶、100ml容量瓶、滴管、试管架、秒表、电炉、电子天平。2.药品十二烷基硫酸钠（SDS）/十二烷基苯磺酸钠（SDBS），聚氧乙烯辛基苯酚醚-10（OP-10）、脱水原油/煤油、蒸馏水。浓硫酸（AR）、无水硫酸钠（AR）、氯仿（CP）、渗透剂（磺酸盐或硫酸酯盐型阴离子表面活性剂）；亚甲基蓝溶液：称取0.03g亚甲基蓝，用水调匀，加入12g浓硫酸和50g无水硫酸钠，用蒸馏水溶解并稀释至100ml；0.05%阴离子表面活性剂溶液（渗透剂OT），若无渗透剂OT，可用其他磺酸盐或硫酸酯盐型阴离子表面活性剂代替，但需水溶性的。四、实验步骤1.表面活性剂表面张力及CMC的测定用吊环法首先测定蒸馏水的表面张力，对仪器进行校正。然后从稀至浓依次测定SDBS溶液，并计算表面张力，作出表面张力-浓度对数曲线，拐点处即为CMC值。如希望准确测定值，在拐点处增加几个测定值即可实现。吊环法测定表面活性剂溶液的表面张力的步骤如下：①将仪器放在不受振动和平稳的地方，调节仪器下面的螺丝把仪器调到水平状态。用热洗液浸泡铂丝环和测试时装测试液的玻璃杯，然后用蒸馏水洗净，烘干。铂丝环应十分平整，洗净后不能用手触摸。②开机，预热30min。③用配制好的溶液润洗玻璃杯。④将自动张力仪与超级恒温水浴相连。⑤显示标志位“A”或“F”时调整升降杆，调整范围是0~10mN/m。⑥将表面活性剂水溶液倒入玻璃杯中至一定深度，挂上铂环，点“复位”按钮。○7等温度恒定以后，点“上升”按钮，升高升降台使铂金环浸入液面下5~7mm处，点“停止”按钮，当出现“H”时点“零点”按钮，然后点“下降”和保持“按钮，记录显示的最大拉力值P。⑧根据测定的表面活性剂不同浓度c时溶液的表面张力-logc曲线。2.表面活性剂油水界面张力的测定通过Texas-500型界面张力仪测量油珠在溶液中的拉伸长度及直径，并用软件进行图像采集和分析，计算油水动态界面张力。界面张力测定步骤如下：①开机、预热A.接通界面张力仪及电脑电源，开机。B.按下界面张力仪上的温度设定按钮的同时调节温度按钮设定温度。C.打开界面张力测定软件，链接视频。链接视频时需要设定样品名称，及相关参数。②装样A.样品管依次用石油醚、丙酮（或乙醇）清洗2~3遍，最后用蒸馏水清洗3~4遍。B.用注射器注入所测定的外相溶液（水相），注意不能注入气泡。C.用注射器注入内相（油相），若是油相较粘稠，则用针头挑起一个小油滴，送入样管内，将针头贴在样管内壁并转动，使油滴粘在样管内壁，然后迅速拔出针头。再用注射器注入水相，注满样管，不留气泡。盖上样品管帽。③测定A.仪器达到所设定的温度后，将样品管装入旋转轴内，拧紧压紧帽（扶住轴端的挡圈即可防止轴转动）。B.将观测显微镜调整到合适的位置，以利于观测。C.按下电机开机开关，调整转速，选择测定软件的“数据菜单”，然后打开“数据”菜单，点击“开始采集”，程序开始采集数据。3.表面活性剂乳化能力的测定（1）取25ml具塞刻度试管10支，分别加入浓度为0、1.0×10-1、1.0×10-2、1.0×10-3、1.0×10-4、1.0×10-5mol/L的SDBS溶液各10mol，分别用滴管准确加入原油（或者煤油）10ml，盖上试管塞子，每支试管各上下震荡30次。（2）将震荡后的试管立即垂直放在试管上，同时开始计时，并每隔3min记录一次试管中分出水的体积（若分出水的速速较快，可每隔1min记录一次），共记录30min。（3）取乳化最稳定的试管重新震荡30次，用分散法判别乳状液类型。五、数据处理1.整理所测得的表面张力数据，绘制-logc曲线，根据曲线求出CMC值。表1.吊环法测表面张力实验记录表溶液浓度(mol/L)最大拉力值（mN/m）00.10.010.0010.00010.00001167.7729.6633.0236.4639.1845.04268.1929．4132.8936.5038.5655.70368.3129.5732.6436.4938.4845.36平均值67.9529.6332.8936.4738.9545.15图1.-logc关系曲线根据上图可以看出，突变点在浓度为1.0×10-3mol/l，所以CMC值是1.0×10-3mol/L2.整理所测得界面张力数据，绘制界面张力随时间的变化曲线-t曲线，根据曲线指出超低界面张力区域。数据整理：表2.界面张力数据整理表实验温度：30℃；油相：煤油；密度差：0.216溶液SDS(0.1mol/l)SDS(0.01mol/l)界面张力/（mN/m)4.2144.3274.2145.4355.5015.704溶液SDBS(0.1mol/l)SDBS(0.01mol/l)界面张力/（mN/m)4.4734.4734.4863.0543.0093.054不同界面的界面张力测试图：图2.SDS浓度为0.1mol/l时的界面张力测试图图3.SDS浓度为0.01mol/l时的界面张力测试图图4.SDBS浓度为0.1mol/l时的界面张力测试图图5.SDBS浓度为0.01mol/l时的界面张力测试图3.求出表面活性剂在不同质量分数下乳化原油的稳定系数表3.乳化力测定实验记录表时间浓度010s40s1.5’2.5’3.5’4.5’5.5’6.5’8’10’12’15’00510101010101010101010101.0x10-10000.250.511.51.75222.53.755.51.0x10-2000.511.522.252.53455.56.51.0x10-30012357.57.588.258.599.51.0x10-401234999.259.59.59.510101.0x10-50238101010101010101010（1）在坐标纸上绘制分出水的体积与时间的关系V-t曲线，注意每个表面活性剂的质量分数下的V-t曲线都应在同一规格坐标中绘出。V-t曲线02468101202468101214时间/min析出量/ml0.1mol、L0.01mol/L0.001mol/L0.0001mol/L0.00001mol/L0mol/L图6.V-t关系曲线(2)求不稳定系数根据公式0100()dWTVttAUSITWt表4不稳定系数计算所得数据表SDS/(mol/L)01.0x10-11.0x10-21.0x10-31.0x10-41.0x10-5USI9123533.516.58.5(3)绘制USI-关系曲线，找出原油乳化的最佳表面活性剂质量分数范围，并解释曲线的变化规律。USI-w关系曲线051015202530354000.020.040.060.080.10.12浓度/(mol/L)USI值图7.USI-关系曲线由图得：曲线先升高后减小，最佳浓度应出现在0.1mol/L之后。原因：碱浓度低时，碱与原油反应生成的活性物质少，水相是稳定的体系，USI值较低，随着表面活性剂的质量增加，水相变得不稳定，USI值逐渐增大；而后随着表面活性剂的继续加入，乳状液得到稳定，USI值一直减小。六、思考题1.为什么离子型表面活性剂存在克拉夫特点和非离子表面活性剂存在浊点，在实际应用中应该如何考虑这些特点？答：出现克拉夫特点的原因：离子表面活性剂在到达临界溶解温度时，优先形成胶束，溶解度升高。出现浊点的原因：非离子表面活性剂通过它的极性基与水形成氢键，温度升高不利于氢键的形成。温度升高到一定程度，非离子表面活性剂与水的结合减弱，水溶液降低，溶液出现浑浊。同系物的碳氢链越长，其克拉夫特点越高，因此，克拉夫特点可以衡量离子型表面活性剂的亲水、亲油性。应用浊点萃取技术可以利用表面活性剂溶液的增溶和分相实现溶质的富集和分离。2.表面活性剂和原油的超低油水界面张力范围是多少，