表面活性剂的性能测定与评价

中国石油大学（油田化学基础实验）实验报告实验日期：成绩：班级：石工学号：1302姓名：教师：同组者：表面活性剂的性能测定及评价一．实验目的1、了解用指示剂和染料通过显色反应鉴别表面活性剂类型的原理和方法；2、了解离子型表面活性剂克拉夫特点和非离子表面活性剂浊点的测定方法及不同类型表面活性剂的性质；3、学会一种表面活性剂的界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；4、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机理；5、学会观察表面活性剂溶液与原油混合后的乳化现象，并掌握不稳定体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亲水性的极性基团和憎水性的的非极性基团所组成的有机化合物，当它们一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、表面活性剂类型的鉴别不同类型的表面活性剂具有不同的性质，因此可采用不同的方法将它们鉴别出来。离子表面活性剂可利用他们的离子反应来鉴别，非离子表面活性剂则利用其与金属离子形成络合物的颜色来鉴别。亚甲基蓝属阳离子型有色物，在容量分析中可作指示剂使用，当它遇阴离子表面活性剂时，生成不溶于水而溶于氯仿的产物，使氯仿层色泽变深；如果实验液中含有阳离子表面活性剂，由于阴阳离子表面活性剂的结合，使亚甲基蓝脱离阴离子表面活性剂而从氯仿中重新回到水中，使氯仿色泽变浅。2、表面活性剂克拉夫特点和浊点离子型表面活性剂在温度较低时溶解度很小，但随温度升高而逐渐增加，当到达某特定温度时，溶解度急剧陡升，把该温度称为临界溶解温度又称克拉夫特点。浊点是非离子表面活性剂的一个特性参数，其受表面活性剂的分子结构和共存物质的影响。表面活性剂在水溶液中，当温度升到一定值时，溶液中出现浑浊，而不完全溶解的现象，此时的温度称为浊点温度。3、表面活性剂的表面张力及CMC的测定由于净吸引力的作用，处于液体表面的分子倾向于到液体内部来，因此液体表面倾向于收缩。要扩大面积，就要把内部分子移到表面来，这就要克服净吸引力作功，所作的功转变为表面分子的位能。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，表面张力就会变化。若溶质使液体的表面张力升高，泽荣指在溶液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。这种溶质在溶液相内部和溶液相表面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，可用吉布斯吸附等温式表示：Γ=式中Γ-吸附量（mol/L）c-吸附质在溶液内部的浓度（mol/L）-表面张力（N/m）R-通用气体常数（）T-绝对温度（K）d/dc0,溶质为正吸附；反之，溶质为负吸附。通过实验若能测出表面张力与溶质浓度的关系，则可作出-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d/dc,将此值代入公式可求出此浓度时的溶质吸附量。表面活性剂的临界胶束浓度是表面活性剂非常重要的性质。若使溶液的表面扩大，需对体系作功，增加单位表面积，对体系做的可逆功称为表面张力或表面自由能。他们的单位分别是N·，在因此上是相同的。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。该法适合各种类型的表面活性剂，准确性好，不受无机盐的影响，只是当表面活性剂中混有高表面活性的极性有机物时，曲线中出现最低点。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。假设当环被向上拉起时，环就带起一些液体。当提起液体的质量mg与沿环液体交界处的表面张力相等时，液体质量最大。再提升则液环断开，环脱离液面。设环拉起的液体呈圆筒形，对环的附加拉力P为：P=mg=2πRγ+2π（R+2r）γ=4π（R+r）γ+4πRγ式中：m─拉起来的液体重量；R─环的内半径；r─环丝半径。4、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~mN·范围，可用旋滴法测定该体系的油水界面张力，为选择各种与原油形成低或超低界面张力的驱油剂溶液提供基础依据。该方法是将有地悬浮在水中，再告诉绕水平轴旋转下将有地拉成柱形，柱体的直径和界面张力有关，在相同条件下，油柱直径越小，界面张力越低。图2液滴在毛细管中的形状旋滴法测定界面张力时，有地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：234rIFT式中：∆ρ─油水密度差，kg/m；ω─样品管转动的角速度，rad/s；r─油滴短轴半径，m。5、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，可分别在油水界面上，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对于化学驱和稠油乳化降粘具有重要作用，例如化学驱中的乳化-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保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集输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，不稳定系数按下式定义：0()TVtdtUSIT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，乳状液的稳定性越差。三、实验仪器与药品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量筒、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（磺酸盐或硫酸酯型阴离子表面活性剂）；亚甲基蓝溶液；称取亚甲基蓝，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1000ml；%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型阴离子表面活性剂代替，但需水溶性的。四、实验步骤1、吊片法用吊片法首先测定蒸馏水的表面张力，对仪器进行校正。然后从稀至浓一次测定SDBS溶液，并计算表面张力，做出表面张力-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。具体步骤如下：①将仪器放在不受震动和平稳的地方，调节仪器下面的螺丝把仪器调到水平状态。用热洗液浸泡铂丝和裝测试液的玻璃杯，然后用蒸馏水洗净，烘干。铂丝应十分平整，洗净后不能用手触摸。②开机，预热30min。③配置表面活性剂溶液（一般情况下，配置的表面活性剂溶液浓度范围为1×10^-6~1×10^-3mol/L），用配置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显示标志为：“A”或“F”时调整升降杆，调整范围是0~10mN/m。⑥将表明活性剂水溶液倒入玻璃杯中至一定深度，挂上铂片，点击“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，点击“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γ，绘制γ-logC曲线。2、表面活性剂油水界面张力的测定⑴用%NaCl模拟盐水排至%的SDS水溶液；⑵首先用密度计测量原油与表面活性剂溶液的密度。⑶用WZS-1型阿贝折光仪测定化学剂溶液的折光率。⑷通过Texas-500型界面张力仪测量油珠在同业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，最后用蒸馏水清洗干净3~4遍。B用注射器注入所测定的外相溶液（水相），注意不能注进气泡。C用注射器注入内相（油相），若是油相较粘稠，则用枕头挑起一个小油滴，送入样管内，将枕头贴在样管内壁病转动，使油滴粘在试管内壁，然后迅速拔出针头，盖上样品帽。③测定A·仪器达到设定的温度后，将样品管装入旋转轴内，拧紧压紧帽。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0,11.010,21.010,31.010,41.010,51.010/molL的SDBS溶液各10ml，分别用滴管准确加入原油（或煤油）10ml，盖上试管塞子，每支试管上下震荡30次。（2）将震荡后的试管立即垂直放在试管架上，同时开始计时，并每隔3min记录一次试管中分出水的体积（若分出水的速度较快，可每1min记录一次），共记录30min。（3）取乳化最稳定的直观重新震荡30次，用分散法判别乳状液的类型。五、实验数据处理1、整理所测得的表面张力数据，绘制曲线，根据曲线求出CMC值表1吊环法测量表面张力实验记录表图3γ与logC关系曲线由图3可得，CMC值为。溶液浓度mol/L最大拉力值，mN/m0123平均值2、整理所测得的界面张力数据，绘制界面张力随时间的变化曲线γ-t曲线。界面张力随时间变化曲线如下图：图4界面张力随时间变化曲线实验中油滴SDS10-2在毛细管中形状实验中油滴SDS10-1在毛细管中形状实验中油滴SDbs10-2在毛细管中形状实验中油滴SDbs10-1在毛细管中形状3、求出表面活性剂在不同质量分数下的乳化原油的不稳定系数。取乳化稳定的三组数据表3乳化力测定实验记录表浓度mol/L012346912151821253001010101010101010101010101010456588571010101010101010101010绘制V-t图像如下析出水体积与时间关系曲线由不稳定系数计算公式：得：0mol/L:=10；L:=；L:=；；L:=；L:=；六、思考与讨论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：克拉夫特点：离子型表面活性剂在温度较低时溶解度很小，但随温度升高而逐渐增加，当到达某特定温度时，溶解度急剧陡升，把该温度称为克拉夫特点。克拉夫特点对应的表面活性剂的浓度为临界胶束浓度,随着温度的升高，离子型表面活性剂在溶液中将以胶束的形式存在，溶解度会急剧增加，所以离子型表面活性剂存在克拉夫特点。非离子表面活性剂与水分子之间可以形成氢键，温度升高，分子热运动加剧，氢键将被破坏，溶解度降低，溶液出现浑浊，所以非离子表面活性剂存浊点。克拉夫特点和浊点都与温度有关，实际应用中应注意温度不宜太高。2、表面活性剂和原油的超低油水界面张力范围是多少，界面张力的降低是通过什么原理提高地层原油采收率的？答：超低界面张力范围低于m。通过降低界面张力可以提高洗油效率，从而提高地层原油采收率。3、表面活性剂的乳化原油的基本条件是什么，乳化作用是通过什么原理提高地层原油采收率的？答：基本条件为乳化后形成具有一定的强度的界面膜，因此表面活性剂要有足够的浓度及具有适宜的分子结构。乳化是通过降低原油粘度，从而降低水油流度比，增大波及系数来