表面活性劑對溶液表面張力影響的實驗研究

1、.青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）目 錄1 緒論11.1選題依據(jù)及背景11.2 泡沫研究的進展41.3 泡沫的應(yīng)用61.3.1 泡沫在日化食品中的應(yīng)用61.3.2 泡沫滅火61.3.3 泡沫在油田中的應(yīng)用71.3.4 泡沫分離82 表面張力理論基礎(chǔ)122.1 表面張力的定義和產(chǎn)生機理122.2 表面張力的性質(zhì)152.3表面張力的單位和方向152.4臨界膠束濃度152.5表面張力的測定方法173 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析283.1 表面張力的測定實驗283. 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析303.2.1 實驗數(shù)據(jù)的記錄303.2.2 數(shù)據(jù)分析394 論文總結(jié)與展望424.1 論文總結(jié)424.2 展望431 緒論1

2、.1選題依據(jù)及背景液態(tài)泡沫是大量氣泡在微量表面活性劑溶液中密集堆積形成的、高度自組織得非平衡系統(tǒng)，平時我們用洗潔精刷洗盤子時，或從微小開口噴嘴向溶液中吹入氣體，都能形成泡沫。泡沫表面雜亂無章，內(nèi)部卻具有規(guī)則的結(jié)構(gòu)，同時它具有許多難以理解得奇特性質(zhì)。幾乎完全有氣體組成，既可以像固體一樣發(fā)生彈性形變，又能像液體一樣流動，這都是泡沫物理學(xué)1研究的內(nèi)容之一。由純凈清澈的表而活性劑液體形成的泡沫從遠處看呈亮白色，在近處細致觀察，我們會發(fā)現(xiàn)緊密堆積的氣泡以及內(nèi)部規(guī)則結(jié)構(gòu)2，如圖1-1所小示泡沫的結(jié)構(gòu)通常用濕和干來表示，在這里濕或干指的是泡沫內(nèi)液體含量，通常采用體積分率表示。泡沫的形成過程及液體分率的分布見

3、圖1-1，接近于液面的氣泡間相互之間空隙很大，疏松地分布在液體中，不屬于泡沫物理的研究范圍。再稍往上的泡沫由于受重力作用，液體流失到了下面，因此變得比較干燥， < 1% 氣泡之間相互連接并發(fā)生了變形，成為多面體，這種形態(tài)叫干泡沫。圖1-1 泡沫的兩種基本形態(tài)Fig.1-1 Two basic structure of foam泡沫物理是一門古老的學(xué)科，早在19世紀中下葉，氣泡和泡沫結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的描述已經(jīng)完美，在這過程中比利時科學(xué)家柏拉圖（Plateau）做出了突出的貢獻，他首先確定了泡沫結(jié)構(gòu)平衡法則。首先四個氣泡形成一組相互作用的基本單元，相交于一個交匯點每3個氣泡圍成一個凹三角形柏拉圖通

4、，四個氣泡共形成4個柏拉圖通道。其曲率半徑由液體體積分數(shù)、表面張力以及界面力協(xié)調(diào)決定。每兩個氣泡間形成一個液膜，4個氣泡共形成6個液膜。液膜厚度一般為10Å -1m，是氣泡間的最小分離距離。液膜間以及柏拉圖通道間的夾角分別為arcos (-1 /2) =120°和arcos(- 1 /3)109.47°，圖1-2右側(cè)泡沫照片中的亮白色線就是柏拉圖通道。圖1-2液態(tài)泡沫及其基本結(jié)構(gòu)Fig.1-2 Liquid foam and its basic structure泡沫中的液體分布在液膜、柏拉圖通道和交匯點上，當(dāng)液體體積分數(shù)大約為36% 時，氣泡為球形氣泡間的接觸縮

5、為一個點，此時液膜消失，僅剩柏拉圖通道和交匯點，泡沫的力學(xué)特性發(fā)生突變，這在泡沫物理學(xué)的研究中很重要，當(dāng)體積分數(shù)大于36% 時泡沫系統(tǒng)演變?yōu)楣呐萘骰蛘邭庖簝上嗔?，不再屬于泡沫物理的研究范疇。到?990年前后，隨著科學(xué)技術(shù)得發(fā)展，以及受材料科學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)的需求，泡沫物理研究再次活躍起來。比如航空航天材料需要輕質(zhì)、高強度得泡沫材料，而泡沫材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻時最關(guān)鍵的，不管是化工過程中消除泡沫還是泡沫滅火劑中保留泡沫，對泡沫穩(wěn)定性得控制是關(guān)鍵，這些都促進了泡沫動力學(xué)的研究。含水泡沫在消防上的應(yīng)用3是早期研究管道泡沫流動的動機。然而，開展管道和多孔介質(zhì)中泡沫流動研究的最大動力卻來自于石油4天然氣5工業(yè)

6、技術(shù)。隨著全球范圍的能源危機，原油價格飛漲，石油作為現(xiàn)代社會中最重要的能源物質(zhì)，如何努力提高油井的產(chǎn)量成為各國研究的熱門科研課題。由于泡沫具有很高的粘度，這對鉆井和清洗等操作中輸送顆粒物十分有利。在泡沫壓裂技術(shù)6中，需要向油井地質(zhì)巖層水力壓裂縫中注入顆粒（最典型的是砂粒），以此來防止裂縫的閉合。實驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)巖層的滲透率增加時，多孔介質(zhì)7中泡沫得遷移率下降，這表明可以用泡沫來堵塞或者改變壓裂劑的流向，從而在一定程度上控制油藏流體8的通路。此外，泡沫還可以作為管道運輸煤粉的介質(zhì)，它也是紙張涂層、織物整飾工藝中一種富有吸引力的媒質(zhì)， 可以用來散播顏料和其他表面處理劑，液體泡沫常是加工合成多胞固體得

7、中間階段。由于泡沫結(jié)構(gòu)會影響這些材料得性能，以此推動了人們?nèi)チ私饬鲃訉υ?形態(tài)的形成和對大分子及微觀相的取向所起的作用。這些都極大地推動了人們對泡沫流變特性的研究。液態(tài)泡沫有獨特流變特性，在常規(guī)重力或較小外力下，不足以使得液態(tài)泡沫流動，此時液態(tài)泡沫就像固體，具有一定的彈性，泡沫的剪切模量來自液膜表面張力，與氣泡大小和液體體積分數(shù)有關(guān)，一般在l0 Pa的量級，相比之下鋼的剪切模量為8 × 10Pa。當(dāng)形變較大時，部分氣泡間發(fā)生拓撲變化，當(dāng)應(yīng)力逐漸消去時，這種拓撲變化不會復(fù)原，泡沫發(fā)生塑性變形。如果應(yīng)力繼續(xù)增大并超過屈服應(yīng)力值時，泡沫內(nèi)發(fā)生大量拓撲變化，泡沫開始流動10。從實驗上對泡沫

8、進行系統(tǒng)的測量，是非常困難的，且非常難解決。這大多是由兩種情況造成的：一類是由于泡沫這種有自身獨特結(jié)構(gòu)得流體的物理本質(zhì)導(dǎo)致的，另一類是由于流變方面得復(fù)雜程度造成的。泡沫有一個非常顯著的物理特性，即通過減少自身的表面積使其自由能達到最小得固有趨勢。這有利于泡沫尺寸隨時間而增大。表面活性不足，以及有關(guān)得物理化學(xué)機理所引起得薄膜不穩(wěn)定，都會導(dǎo)致泡膜的破裂，并最終造成氣泡的合并。由于重力使液體通過泡沫排除，這可能引起泡沫結(jié)在時間與空間上的變化，這些變化在宏觀尺度已經(jīng)觀測到了，由于液體薄膜得平均曲率為有限值，所以在他們兩側(cè)存在著壓力差。這樣就提供了一種驅(qū)動力使氣體在元泡之間擴散。這在多分散的泡沫中尤其容

9、易發(fā)生，這種擴散也會引起氣泡尺寸11隨時間而增大。圖1-3 柏拉圖邊界發(fā)生集合拓撲變化Fig.1-3 T1 change of Plateau boundary泡沫動力學(xué)12的研究主要涉及滲流(foam drainage)、粗化(bubb1e coarsening)、液膜破裂(film rupture)和流變性能等方而，每個方而都很艱難。液態(tài)泡沫是一個非平衡系統(tǒng)，表現(xiàn)為它的結(jié)構(gòu)隨著時間發(fā)生演化，一般涉及三個機制：（1）重力作用下氣泡間的液體滲出，使得氣泡與液體分離，稱為泡沫滲流；( 2 ) 氣泡間液膜的破裂造成相鄰氣泡合并，稱為液膜破裂13；（3）分子通過液膜從內(nèi)部高壓強的小氣泡中向相鄰低壓強

10、的大氣泡擴散所造成的氣泡合并，稱為氣泡粗化。在以上三個非平衡機制中，氣體擴散過程比較緩慢，液膜破裂可以采用合適的表而活性劑予以消除，重力驅(qū)使的泡沫滲流則不可避免，直接影響泡沫穩(wěn)定性，因而泡沫滲流的調(diào)控具有明確的應(yīng)用價值和理論意義。這三個機制又相互關(guān)聯(lián)：當(dāng)滲流發(fā)生時，液膜內(nèi)微量液體的流動會影響氣泡間的氣體擴散；同時液膜破裂和氣體擴散過程導(dǎo)致氣泡平均直徑增加，又會加快微量液體滲流。這三種機制相互關(guān)聯(lián)，使得液態(tài)泡沫呈現(xiàn)出隨時間不斷變化的非平衡特性。目前，人們對于這些影響泡沫穩(wěn)定性的機制沒有完全了解。1.2 泡沫研究的進展大多數(shù)學(xué)者采用毛細管粘度計、旋轉(zhuǎn)粘度計、振動式粘度計或中等規(guī)模的模擬試驗等手段研

11、究泡沫的流變性能。由于泡沫中泡沫液和具有可壓縮的氣體的兩相流體的存在，因此，影響泡沫流變性能的因素有很多，溫度、壓力、剪切速率、泡沫穩(wěn)定時間、泡沫質(zhì)量、泡沫結(jié)構(gòu)(尺寸大小及分布)、表面活性劑類型及濃度等諸多因素都對泡沫的流變性能有不同程度的影響。1934年，Sibree通過對含水泡沫粘度的研究發(fā)現(xiàn)，泡沫的表觀粘度比其泡沫液或氣體任一組分的表觀粘度都高，而且隨剪切速率的增加而增加，當(dāng)剪切速率超過某一臨界值后，表觀粘度幾乎維持不變。在剪切應(yīng)力低于臨界剪切應(yīng)力時，泡沫表現(xiàn)為牛頓流體流動狀態(tài)，高于臨界值時，泡沫變成似塞流(Plug-like flow)。1985年，P. C.Harris通過對泡沫壓裂

12、液的實驗研究，得出了以下結(jié)論：泡沫是一種與剪切過程有關(guān)的流體，在一定的剪切速率下，氣泡尺寸和分布將處十一種穩(wěn)定狀態(tài)，但這種穩(wěn)定狀態(tài)的維持取決于剪切作用時間；泡沫粘度主要由泡沫質(zhì)量和泡沫液性能決定，泡沫結(jié)構(gòu)對泡沫粘度的影響較?。患羟兴俾试礁?，產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)越細；表面活性劑濃度越高，產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)越細；壓力越高，產(chǎn)生的泡沫結(jié)構(gòu)越細。在低壓下測得的泡沫粘度并不能真實地代表現(xiàn)場高壓下的泡沫粘度；液相化學(xué)劑類型也要影響泡沫結(jié)構(gòu)。1993年中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)的姚愛國、戍信14利用自己研制的泡沫流變儀對泡沫進行試驗，提出泡沫屬于非牛頓流體，其流變特性隨發(fā)泡劑含量。氣液比大小而變。實際發(fā)泡率也影響泡沫的流變

13、特性。并總結(jié)出考慮泡沫的非牛頓特性后，泡沫圓管流動壓力降得計算方法為：若泡為賓漢流體，則有 (1-1) (1-2)若泡沫為冪率流體，則有 (1-3)式中：L為管長；R為管的半徑；V為平均流速；K為冪率流體得粘稠系數(shù)；n冪率流體得流變指數(shù)；0為賓漢流體的屈服應(yīng)力；P為沿程壓降；p為賓漢流體得塑性粘度。1990年，華東化工學(xué)院流變室江體乾、褚家瑛等學(xué)者與北京石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院鉆井所聯(lián)合研究了泡沫液體的流變性。他們以鉆井所提供的發(fā)泡劑和CMC， PAM混合而成泡沫液，發(fā)泡后，采用毛細管裝置、旋轉(zhuǎn)粘度計，在常溫常壓下測定了泡沫的流變特性，實驗研究得出了如下結(jié)論：相對粗糙螺紋管而言，泡沫在光滑管內(nèi)存

14、在明顯的滑移現(xiàn)象，這種滑移取絕于管壁粗糙度，而且滑移速度隨著管壁處剪切應(yīng)力的增加而增加；由于泡沫流動時，氣泡界面變形，引起粘滯阻力的增加；同時，由于泡沫流動使表面活性劑在氣泡的后端逐漸積累，表面張力的梯度也引起粘滯阻力的增加，所以泡沫的表觀粘度比組成泡沫的氣相粘度和液相粘度都要大得多。泡沫的表觀粘度值大約為0.020.3Pa·s，而且表觀粘度與剪切速率有關(guān)，具有剪切稀化的特性，表觀粘度隨剪切速率的增加而下降。泡沫表觀粘度與泡沫持液量有關(guān)，表觀粘度隨著泡沫質(zhì)量的增加而增加，但當(dāng)泡沫質(zhì)量超過0.95時，表觀粘度驟然下降，這是由于泡沫質(zhì)量在01.52時，泡沫中的氣泡呈球形，互相不接觸，表觀

15、粘度增加不明顯。泡沫質(zhì)量在0.520.74時，泡沫中的氣泡呈多面體，氣泡互不干擾，泡沫粘度增加。泡沫質(zhì)量在0.74以上時，氣泡緊密排列。但當(dāng)泡沫質(zhì)量超過0.96后，泡沫變成霧，粘度下降至氣體的粘度。在國內(nèi)，泡沫物理的研究寥若晨星，只有少數(shù)文獻報道了關(guān)于泡沫材料制備工藝控制和多孔介質(zhì)滲流15等的工業(yè)應(yīng)用研究，報道研究的角度多為在泡沫材料及多孔介質(zhì)內(nèi)流動的物質(zhì)本身的物理化學(xué)性質(zhì)以及環(huán)境宏觀性質(zhì)(如溫度、壓力等)對滲流的影響，對材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)理論研究報道并不多。泡沫流變特性和滲流的研究是目前和今后很長一段時間內(nèi)的研究熱點。利用多尺度方法，在整個泡沫對應(yīng)的宏觀尺度檢測液體滲流，驗證和改進現(xiàn)有的理論；在

16、多氣泡的介觀尺度(因為泡沫中的拓撲變化主要發(fā)生在局部)觀測泡沫中微流動引起的氣泡協(xié)調(diào)變形甚至拓撲變化；在單氣泡微觀尺度分析滲流時柏拉圖通道和交匯點的位移，以及探索非常規(guī)重力環(huán)境下的泡沫體系的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性演變等方而，加強泡沫滲流機理的理論和實驗研究將是我們追趕國際水平的一個很好的切入點。1.3 泡沫的應(yīng)用液態(tài)泡沫廣泛應(yīng)用在洗滌劑化妝品、食品(如面包)、滅火、石油開采以及物理和化學(xué)的分離技術(shù)中；在一些涉及液體混合和多組分液體的攪動過程中，泡沫的存在還會影響工業(yè)過程效率和速度。泡沫在實際中的應(yīng)用主要有以下幾種：1.3.1 泡沫在日化食品中的應(yīng)用在我們的日常生活中，無論是洗發(fā)香波、牙膏、洗面奶、沐浴

17、露等日化用品，還是啤酒、咖啡、冰激凌等食品飲料都有泡沫的身影，泡沫的存在提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，增添了產(chǎn)品的口感、膚感和美感。1.3.2 泡沫滅火用水滅火，不僅吸熱面積小，吸熱時間短，而且大量的水會迅速流掉，特別是與噴水方向垂直面和斜面不易得到大量的水，而會使燃燒繼續(xù)進行，影響滅火，同時流掉的大量水還會給處理火災(zāi)現(xiàn)場造成麻煩。泡沫的存在，可產(chǎn)生覆蓋層效應(yīng)，這種覆蓋層可減少可燃氣體的產(chǎn)生，有助于隔絕氧氣，可冷卻燃料表面。泡沫具有一定的析水時間，這可使更多的水長時間的附著在燃燒物表面有效發(fā)揮水的咸力，泡沫還能將可燃物與空氣電離，抑制可燃蒸汽的揮發(fā)，還能消除風(fēng)、熱和火焰對燃燒物的影響。1.3.3 泡沫在油

18、田中的應(yīng)用泡沫流體應(yīng)用于油田開發(fā)在國內(nèi)外已有40多年的歷史，泡沫在驅(qū)油、含水氣井的排水采氣、沖砂洗井、鉆井、調(diào)剖、堵水、酸化、水泥固井及壓裂等油氣田開發(fā)中的諸多方面得了長足的發(fā)展，并取得了肯定的效果。大量實踐農(nóng)明，泡沫流體是保護油層、防止油層污染、提高油氣產(chǎn)量的重要手段。泡沫驅(qū)油：由于泡沫在多孔介質(zhì)中流動時首先進入流動阻力較小的高滲透率的大孔道，且泡沫在流動過程中具有較高的表觀粘度，所以，隨著泡沫注入量得增加，流動阻力越來越大，當(dāng)流動阻力達到一定值時，泡沫便越來越多得的進入低滲透率的小孔隙。小孔隙中含油飽和度高，泡沫在此處的粘度低且穩(wěn)定性較差，這也是泡沫進入小孔隙的一個因素。兩種因素的共同作用

19、導(dǎo)致泡沫在高、低滲透層內(nèi)均勻推進，這就是所謂的封堵調(diào)刨。另外，泡沫劑本身也是表面活性劑，因為它可以降低油水界面張力，改變巖石的潤濕性，降低原油對巖石的吸附能力，因而泡沫驅(qū)油能力大幅度提高。含水氣井泡沫排水采氣：該工藝的原理是以天然氣和地層水分別作氣相和液相，從地面向井底加入起泡劑，使三者在井底充分混合形成泡沫。泡沫能減少液體的滑脫，提高氣液攜水能力，從而降低井底回壓增加氣產(chǎn)量。該工藝具有投資少、成本低、見效快、實施容易和不影響氣井正常生產(chǎn)等優(yōu)點。泡沫調(diào)剖堵水：該技術(shù)依靠穩(wěn)定的泡沫流體在水層中產(chǎn)生的賈敏效應(yīng)，選擇性的封堵高滲透率通道，能降低高深透區(qū)的載流量而不破壞低滲區(qū)，封堵水流而不封堵油流，減

20、緩主要水流方向的水線推進速度和吸水量，擴大注入水的波及面積，提高注入水的驅(qū)油效率。泡沫酸酸化：泡沫酸酸化是用表面活性劑作為起泡劑，在酸液中充氣泡，減少酸與巖石的接觸面積，從而達到緩速酸化，增加酸化深度，提高酸化效果的目的。同時，泡沫酸視粘度高，攜砂力強，可用于酸化壓裂，酸壓后容易返排。泡沫水泥固井：該技術(shù)主要用于低壓、漏失層的固井，減少井底靜液柱壓力，有助于防止漏失及提升水泥到指定的高度，起到保護油層的作用。另外，泡沫水泥導(dǎo)熱系數(shù)比普通水泥低，具有良好的隔熱、保溫功能，可用于稠油和高凝油開采的井筒隔熱、保溫。1.3.4 泡沫分離利用不同物質(zhì)在泡沫表面不同的表面吸附能力進行物質(zhì)的分離提純稱為泡沫

21、分離。物質(zhì)純化：不同的物質(zhì)具有不同的表面吸附能力，應(yīng)用泡沫可以分離混合物。例如泡沫分離法提純十二烷基硫酸鈉，由于十二醇具有在表面競爭吸附的特性，與十二烷基硫酸鈉形成的混合膜將表面張力降低到更低的水平，在濃度達到臨界膠束濃度后，表面上的十二醇進入膠束，體系的表面張力才恢復(fù)到正常水平，表面張力濃度曲線有最低點。而泡沫分離法可以成功的脫除在表面競爭吸附能力強的十二醇，使十二烷基硫酸鈉得到純化。泡沫浮選：不同固體的表面親疏水性往往不一樣，在水中，疏水性大的固體粒子表面易于吸附空氣泡，在氣泡浮力的作用下上浮，因而與其它親水性固體粒子分離。這一原理應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中被稱為泡沫浮選。泡沫浮選最古老、最廣泛的應(yīng)

22、用領(lǐng)域是礦物浮選。在浮選前，首先將礦石粉碎至一定大小，以利于隨氣泡漂浮，然后加水制成礦漿，再加入浮選劑，攪拌或通入空氣，形成泡沫進行浮選。大多數(shù)天然礦物的表面是親水的，易為水所潤濕。因而，必須加入表面活性劑作為捕收劑和起泡劑。有時還加入表面活性劑作為調(diào)節(jié)劑，對捕收劑起促進或抑制作用，以達到對混合礦物作選擇性浮選的目的。泡沫浮選的另一個重要應(yīng)用是用于敏感性物質(zhì)的提取和分離，如蛋白質(zhì)、細胞或其它生物及發(fā)酵產(chǎn)品的提取。泡沫浮選在海水脫鹽、能源工程方面也有廣闊的應(yīng)用前景，如脫除海水中的乳化石油，海水淡化后表面活性劑的回收，還可用于從液化煤中脫除40%的殘余固體，從焦砂中分油等。離子浮選：離子浮選與一般

23、的泡沫浮選不同之處在于，前者沒有固體表面潤濕的問題，盡管兩者皆為利用泡沫分離混合物，在離子浮選中，起泡劑為離子型表面活性劑。表面活性劑離子在氣液界面上吸附，形成定向離子層，此離子層對反離子有電性引力，不同的反離子吸引力亦不同，利用這種性質(zhì)可以把溶液中的某些物質(zhì)(離子性的)隨所形成的泡沫分離出來。泡沫因其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，在日化、食品、油田開采、礦物浮選等領(lǐng)域被廣泛利用，已引起很多學(xué)者對其進行深入的了解，考察泡沫的性質(zhì)和功能。但是目前泡沫性能的各種評價方法多為自主開發(fā)，很少有統(tǒng)一的標準，定量測定結(jié)果可比性差，因此有待開發(fā)操作更加簡便、標準化程度更高的綜合評價技術(shù)，建立起泡沫性質(zhì)的評價體系，研究

24、其他因素對泡沫性能的影響，分析其微觀機制，探索泡沫表觀性質(zhì)、微觀機制和實際應(yīng)用三者之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實際應(yīng)用提供理論支持。進入高耗能得工業(yè)化時代之后，人們對能源的需求越來越大。石油是不可再生的資源，進一步提高已開發(fā)油田的采收率非常重要。目前中國已取代日本成為全球第二大石油消耗國（僅次于美國），預(yù)估10年內(nèi)中國的石油需求將從目前的每日600萬桶膨脹近一倍至1150萬桶。十年前中國進口石油占整體石油需求的比例才6%，現(xiàn)在已經(jīng)提高到三分之一，到2020年預(yù)期將有60%的石油都必須來自進口。汽車工業(yè)將是汽柴油消費最主要的生意推動力。乙烯工業(yè)的發(fā)展將使化工用油進一步上升，中國需要進口更多的石腦油。今后2

25、0年，國內(nèi)原油產(chǎn)量將繼續(xù)呈上升趨勢，預(yù)計2010年和2020年產(chǎn)量將分別達到1.7億噸和1.8億噸左右。這主要是由于新技術(shù)的應(yīng)用提高了石油產(chǎn)量。泡沫驅(qū)油作為一項重要的三次次采油技術(shù)，在降低氣油比，增加原油產(chǎn)量，提高清掃效率等諸多力而具有很大的發(fā)展?jié)摿ΑＥ菽黧w應(yīng)用于油田開發(fā)在國內(nèi)外已有40多年的歷史，泡沫在驅(qū)油、含水氣井的排水采氣、沖砂洗井、鉆井、調(diào)剖、堵水、酸化、水泥固井及壓裂等油氣田開發(fā)中的諸多力而獲得了長足的發(fā)展，并取得了肯定的效果大量實踐農(nóng)明，泡沫流體是保護油層、防莊油層污染、提高油氣產(chǎn)量的重要手段。目前，我國東部油田已經(jīng)進入高含水期，三次采油（如聚合物驅(qū)油、三元復(fù)合驅(qū)、泡沫驅(qū)油）工藝

26、已得到了較普遍的應(yīng)用，該領(lǐng)域?qū)ε菽?、聚合物水溶液（如聚丙烯酰胺水溶液）的研究也顯得日益活躍。大慶油田我國目前最大的油田，于1960年投入開發(fā)建設(shè)，由薩爾圖、杏樹崗、喇嘛甸、朝陽溝等48個規(guī)模不等的油氣田組成，面積約6000平方公里?？碧椒秶饕|北和西北兩大探區(qū)，共計14個盆地，登記探礦權(quán)面積23萬平方公里。油田自1960年投入開發(fā)建設(shè)，累計探明石油地質(zhì)儲量56.7億噸，累計生產(chǎn)原油18.21億噸，占同期全國陸上石油總產(chǎn)量的47%；探明天然氣地質(zhì)儲量548.2億立方米，上繳各種資金并承擔(dān)原油價差1萬多億元，特別是實現(xiàn)年產(chǎn)原油5000萬噸連續(xù)27年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，創(chuàng)造了世界油田開發(fā)史上的奇跡。從歷

27、史上看，一般油田的開采高峰只能維持三五年，以后產(chǎn)量就會遞減。但憑什么大慶油田的產(chǎn)量長期保持在5000萬噸的水平線上，大慶油田自上個世紀70年代就開始研究和實踐，目前聚合物驅(qū)油技術(shù)已經(jīng)在大慶等油田開始成功應(yīng)用，大慶的科技工作者還在世界首創(chuàng)出一種更大幅度提高原油采收率的方法泡沫復(fù)合驅(qū)油技術(shù)16。這項技術(shù)使得大慶油田地質(zhì)儲量由原來的26億噸增加到48億噸，相當(dāng)于又找到了一個大慶油田。工程師曾在勝利孤島油田17做過一個泡沫驅(qū)油試驗，選取中二區(qū)中部聚合物驅(qū)單元28- 8井作為泡沫驅(qū)試驗井(注入井)。該井注入3個小層，受效油井共12口，于2002年1月開始轉(zhuǎn)入聚合物驅(qū)，距離28- 8井最近的油井產(chǎn)出液于2

28、002年9月監(jiān)測到聚合物，2002年9月、10月該油井產(chǎn)出液中監(jiān)測到的聚合物濃度分別為890mg/ L ,1100mg/ L。另外兩口油井的產(chǎn)出液于2003年也監(jiān)測到聚合物，產(chǎn)出中出現(xiàn)聚合物后油井產(chǎn)油量下降，綜合含水率上升至94%，2003年4月24日開始注入聚合物和泡沫劑的前置段塞;同年5月4日開始注氮氣，由于氣液混注壓力較高，而泵壓較低，注不進水，改為氣液交替注入。至2004年3月25日試驗結(jié)束，累計注入氮氣114. 2萬立方米(標準狀態(tài))，聚合物干粉57. 4t,泡沫劑274. 3t。生產(chǎn)井綜合含水率明顯降低，日產(chǎn)油量由100t 增加到140 t。生產(chǎn)井在泡沫復(fù)合驅(qū)后3月開始見效，日產(chǎn)油

29、量由試驗前的75. It增加到151. 8t，綜合含水率由試驗前的93. 9%下降到88. 1% ,累計增產(chǎn)原油1. 1萬噸。應(yīng)當(dāng)指山，泡沫是相當(dāng)復(fù)雜的體系，日前國內(nèi)外泡沫驅(qū)油的研究仍基本處在理論研究階段，現(xiàn)場應(yīng)用還正在進行摸索，距大規(guī)模的實際應(yīng)用還有一定的距離。另外，隨著溫室氣體導(dǎo)致的全球變暖問題愈來愈嚴重，有人提出將二氧化碳注入地下封存起來，以減少全球的二氧化碳含量，而泡沫作為一種性能優(yōu)良的輸運介質(zhì)，已經(jīng)走入了越來越多的科學(xué)家的視線。在開采的油氣層和廢棄的油氣層是地下儲藏二氧化碳的最有利場所。在儲層壓力不是過大且不存在井周泄露和儲層裂縫的條件下，不會形成通向地表或鄰近地層的通道，這些儲層能

30、容納二氧化碳。另外，通過二氧化碳強化油氣的開采，對儲層的參數(shù)，如容量和地質(zhì)狀況等比較了解，利用現(xiàn)有的油氣技術(shù)，可減少這種儲藏方式所需要的勘探費用。通過強化采油，可以多開采出5% 20%的油。國外的許多采油機構(gòu)都采用強化采油，借此將大量的二氧化碳注入地下。從儲藏角度看，強化采油技術(shù)代表了一種儲藏二氧化碳的方法18。預(yù)計在強化采油中，全世界共有12×1011 t的氧化碳儲藏能力。圖1-4 二氧化碳強化采油過程示意圖Fig.1-4 Process of enhanced oil recovery這樣在減少了溫室氣體的含量的同時，獲得了巨大的經(jīng)濟效益，具有巨大的應(yīng)用潛力。而泡沫就是實現(xiàn)這一過

31、程的優(yōu)良媒介。由上述可見加強對泡沫的研究，擁有很高的價值。本課題旨在研究表面活性劑對溶液表面張力的影響，加深對泡沫液流變特性的理解。 2 表面張力理論基礎(chǔ)2.1表面張力的定義及產(chǎn)生機理 液體表面好像一張繃緊的橡皮膜一樣，具有盡量縮小其表面的趨勢，我們把這種沿著表面的，使液面收縮的力稱為表面張力。它產(chǎn)生的原因是 液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層,叫做表面層,表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏,分子間的距離比液體內(nèi)部大一些,分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開些，彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在，有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如，曲別針雖然密度比水大卻還能漂浮在水面上

32、。利用它能說明液態(tài)物質(zhì)所特有的許多現(xiàn)象，如泡沫的形成、毛細現(xiàn)象、浸潤現(xiàn)象等22。在工業(yè)技術(shù)上，浮選技術(shù)、液體輸送技術(shù)等方面都要研究液體的表面張力。 圖2-1 曲別針漂浮在水面上 Fig.2-1 Clip floating in the water2.2表面張力的性質(zhì)表面張力是分子力的一種表現(xiàn)。它發(fā)生在液體和氣體接觸時的邊界部分。是由于表面層的液體分子處于特殊情況決定的。液體內(nèi)部的分子和分子間幾乎是緊挨著的，分子間經(jīng)常保持平衡距離，稍遠一些就相吸，稍近一些就相斥，這就決定了液體分子不像氣體分子那樣可以無限擴散，而只能在平衡位置附近振動和旋轉(zhuǎn)10。在液體表面附近的分子由于只顯著受到液體內(nèi)側(cè)分子的作

33、用，受力不均，使速度較大的分子很容易沖出液面，成為蒸汽，結(jié)果在液體表面層(跟氣體接觸的液體薄層)的分子分布比內(nèi)部分子分布來得稀疏。相對于液體內(nèi)部分子的分布來說，它們處在特殊的情況中。表面層分子間的斥力隨它們彼此間的距離增大而減小，在這個特殊層中分子間的引力作用占優(yōu)勢。因此，如果在液體表面上任意劃一條分界線MN把液面分成a、b兩部分，如圖所示。F表示a部分表面層中的分子對b部分的吸引力，F(xiàn)6表示右部分表面層中的分子對a部分的吸引力11，這兩部分的力一定大小相等、方向相反。這種表面層中任何兩部分間的相互牽引力，促使了液體表面層具有收縮的趨勢，由于表面張力的作用，液體表面總是趨向于盡可能縮小，因此空

34、氣中的小液滴往往呈圓球形狀2.3表面張力的方向和單位表面張力的方向和液面相切，并和兩部分的分界線垂直，如果液面是平面，表面張力就在這個平面上。 如果液面是曲面，表面張力就在這個曲面的切面上。表面張力F的大小跟分界線MN的長度成正比?？蓪懗蒄=L或=F/L。比值叫做表面張力系數(shù)，它的單位常用dyncm。在數(shù)值上表面張力系數(shù)就等于液體表面相鄰兩部分間單位長度的相互牽引力。液膜表面張力系數(shù)=液膜的表面能/液膜面積=F表面張力/(2*所取線段長）。表面張力系數(shù)與液體性質(zhì)有關(guān)，與液面大小無關(guān)。2.4 臨界膠束濃度表面活性劑對溶液表面張力的影響涉及到一個很重要的概念臨界膠束濃度。表面活性劑在界面富集吸附一

35、般的單分子層，當(dāng)表面吸附達到飽和時，表面活性劑分子不能在表面繼續(xù)富集，而憎水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃離水環(huán)境，于是表面活性劑分子則在濃液內(nèi)部自聚，即疏水基*在一起形成內(nèi)核，親水基朝外與水接觸，形成最簡單的膠團。而開始形成膠團時的表面活性劑的濃度稱之為臨界膠束濃度，簡稱cmc。 當(dāng)溶液達到臨界膠束濃度時，溶液的表面張力降至最低值 ，此時再提高表面活性劑濃度，溶液表面張力不再降低而是大量形成膠團，此時溶液的表面張力就是該表面活性劑能達到的最小表面張力，用cmc表示。表面活性劑的表面活性源于其分子的兩親結(jié)構(gòu)，親水基團使分子有進入水的趨向，而憎水基團則竭力阻止其在水中溶解而從水的內(nèi)部向外遷移，有

36、逃逸水相的傾向，而這兩傾向平衡的結(jié)果使表面活性劑在水表的富集，親水基伸向水中，憎水基伸向空氣，其結(jié)果是水表面好像被一層非極性的碳氫鏈所覆蓋，從而導(dǎo)致水的表面張力下降。2.4表面張力的測定方法液體表面張力的測定方法分靜力學(xué)法和動力學(xué)法。靜力學(xué)法有拉脫法、毛細管上升法、du Noüy 環(huán)法、Wilhelmy 盤法、旋滴法、懸滴法、滴體積法、最大氣泡壓力法; 動力學(xué)法有震蕩射流法、毛細管波法。其中毛細管上升法和最大氣泡壓力法不能用來測液- 液界面張力。Wilhelmy 盤法, 最大氣泡壓力法, 震蕩射流法, 毛細管波法可以用來測定動態(tài)表面張力。由于動力學(xué)法本身較復(fù)雜, 測試精度不高, 而先

37、前的數(shù)據(jù)采集與處理手段都不夠先進, 致使此類測定方法成功應(yīng)用的實例很少。因此, 迄今為止, 實際生產(chǎn)中多采用靜力學(xué)測定方法。我們實驗室采用拉脫法測定表面張力，主要實驗裝置為焦利氏秤13。如圖2-2所示： 圖2-2 焦利氏秤 Fig.2-2 Jolly Balance標尺 2-游標 3-立柱 4-外立柱旋鈕 5-平臺調(diào)節(jié)旋鈕6-液體杯 7-張力環(huán) 8-彈簧 9-玻璃管 10-帶鏡掛鉤3 表面張力的測定實驗及數(shù)據(jù)處理和分析3.1表面張力的測定實驗 液體表面好像一張繃緊的橡皮膜一樣，具有盡量縮小其表面的趨勢，我們把這種沿著表面的，使液面收縮的力稱為表面張力。利用它能說明液態(tài)物質(zhì)所特有的許多現(xiàn)象，如泡

38、沫的形成、毛細現(xiàn)象、浸潤現(xiàn)象等。在工業(yè)技術(shù)上，浮選技術(shù)、液體輸送技術(shù)等方面都要研究液體的表面張力。測定液體表面張力的常用方法有：拉脫法、毛細管法和液滴測重法等。測 定液體表面力的常用方法有：拉脫法、毛細管法和液滴測重法等。本實驗所介紹的拉脫法是一種直接測定方法。實驗儀器：焦利氏秤、砝碼、燒杯。實驗原理：是液體分子之間存在作用力，成為分子力。液體表面層（厚度等于分子的作用半徑）內(nèi)的分子所處環(huán)境和液體內(nèi)部分子不同，液體內(nèi)部每個分子四周都被同類的其它分子所包圍，它所受到的周圍分子的合力為零。但處于液體表面層的分子，由于液面上方為氣相，分子數(shù)很少，因而表面層內(nèi)每個分子受到向上的引力比向下的引力小，合力

39、不會為零，即液體表面處于張力狀態(tài)。表面分子有從液面擠入液體內(nèi)部的傾向，使液面自然收縮，直到處于動態(tài)平衡，即在同一時間內(nèi)脫離液面擠入液體內(nèi)部的分子和因熱運動而到達液面的分子數(shù)相等為止。因而，在沒有外力作用是液滴呈球形，即使其表面積縮到最小。表面張力類似于固體內(nèi)部的拉伸應(yīng)力，只不過這種應(yīng)力存在于極薄的表面層內(nèi)，而且不是由于彈性形變所引起的，是液體表面層內(nèi)分子力作用的結(jié)果。設(shè)想在液面上作一長為L的線段，則張力的作用是線段兩邊液面以一定的拉力f相互作用，且力的方向恒垂直于線段，大小與線段的長度L成正比，即 f=L （3-1）其中，比例系數(shù)稱為表面張力系數(shù)，定義為作用在單位長度上的表面張力，單位為Nm。

40、實驗證明，表面張力系數(shù)的大小與液體的種類、純度、溫度和它上方的氣體成分有關(guān)，溫度越高，液體中所含雜質(zhì)越多，則表面張力系數(shù)越小。 用拉脫法實驗是將一彎成形的金屬絲浸入液體中，然后將其慢慢地拉出水面，此時在金屬絲附近的液面會產(chǎn)生一個沿著液面的切線方向的表面張力f，由于表面張力的作用，金屬絲四周將帶起一個水膜，水膜呈彎曲形狀。液體表面的切線與金屬絲表面的切線之間的夾角設(shè)為稱為接觸角。當(dāng)將金屬絲緩緩的拉出水面時，表面張力f的方向?qū)㈦S著液面方向的變化而變化，接觸角逐漸減小而趨于零，因此f的方向垂直向下。在夜魔將要破裂前，諸力的平衡條件為 F=mg+f （3-2）其中，F(xiàn)為將金屬絲拉出液面時所加的外力，m

41、g為金屬絲與它所沾附的液體的總重量。 金屬絲與液面接觸部分的周長為L=2（l+d）（3），其中，l為金屬絲的寬度，d為金屬絲的直徑，又因ld，故L2l。由（2）和（3）十可得表面張力系數(shù)=f2l。試驗中由于表面張力很小，故使用焦利氏秤測量，金屬絲寬度l可用游標卡尺測出。 裝置介紹：焦利氏秤實際上是一個精細的彈簧秤，常用于測微小力，外形這樣，一金屬套管垂直豎立在三角底座上，調(diào)節(jié)底座上的螺絲，可使金屬套管處于垂直狀態(tài)。帶米尺刻度的金屬桿套在金屬管內(nèi)，旋轉(zhuǎn)金屬套管下部的升降鈕，可使套管內(nèi)的金屬桿上升或者下降。金屬管上附有游標和平臺。一錐形彈簧掛于橫梁上，下端掛一個兩頭帶鉤的小鏡。小鏡穿過固定在支桿上

42、的玻璃管后掛一個秤盤。旋轉(zhuǎn)旋鈕，平臺可上下移動，盛有水的燒杯，放置在平臺上。玻璃管和小鏡上都刻有一水平線，測量時，秤盤中加上砝碼后旋動，是桿上升，彈簧也隨之上升，使鏡中水平線與玻璃管上水平線及其在鏡中的像對齊，用這種方法保證彈簧下端位置固定，而彈簧的伸長量L可由伸長前、后米尺與游標兩次讀數(shù) 之差確定。按照胡克定律，在彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量 L與所加的外力F成正比，即F=KL，式中K為彈簧的彈性系數(shù)。對于一個特定的彈簧，K值是一定的，如果我們已知質(zhì)量的砝碼加在砝碼盤中，測出相應(yīng)的彈簧的伸長量，由上式即可計算出彈簧的K值。這一個步驟稱為焦利氏秤的校準。焦利氏秤校準后，只要測出彈簧的伸長量，就可以

43、算出作用于彈簧上的外力F。實驗內(nèi)容安裝各個附件（先不要放燒杯及 形金屬絲）。調(diào)節(jié)是金屬套垂直。當(dāng)小鏡沿著豎直方向上下振動時，不與玻璃管內(nèi)壁發(fā)上摩擦。測定彈簧的彈性系數(shù)。用鑷子依次夾取0.00012Kg砝碼放入秤盤中，轉(zhuǎn)動升降鈕，使小鏡與玻璃管水平線與像對齊，分別記下米尺與游標上讀數(shù)L。，L1,L2,。在依次從秤盤上取走0.00012Kg的砝碼，記下讀數(shù)，將數(shù)據(jù)填入表格，分別計算出加重和減重時的讀數(shù)平均值。用逐差法求出彈簧的彈性系數(shù)K值及誤差。測定溶液的表面張力系數(shù)。步驟如下： 清潔形金屬絲。用氫氧化鈉溶液清洗形金屬絲，然后在蒸餾水中洗凈，并且用酒精仔細擦拭后放入干凈的蒸發(fā)皿中待用。 觀察液膜的

44、形成與破裂過程。取下秤盤，用鑷子將金屬絲掛在小鏡下端的鉤子上，將盛水的燒杯放在平臺上，調(diào)節(jié)升降鈕，將金屬絲浸入水中，然后由液面下慢慢地拉起。直至脫出液面，仔細觀察液膜的形成，液膜表面積的不斷擴大及最后破裂等一系列過程。并注意掌握應(yīng)如何操作才能使液膜被充分的拉伸而不過早破裂。取下形金屬絲，用酒精擦洗，待干燥后掛于小鉤上，旋轉(zhuǎn)升降鈕使三線對齊，記下此時讀數(shù)，將數(shù)據(jù)填入表格。升起平臺，直至形金屬絲全部浸入水中。轉(zhuǎn)動旋鈕，是平臺徐徐下降，由于形金屬絲受表面張力的作用，小鏡隨之下沉，調(diào)節(jié)使三線對齊，再使平臺逐漸下降，并同時調(diào)節(jié)升降鈕以保持三線對齊，直至平臺下降使小鏡的水平線穩(wěn)定在此位置上，只要平臺再稍下

45、降一點，形金屬絲就脫出液面時為止。記下此時的讀數(shù)，求出伸長量，將數(shù)據(jù)填入表格。重復(fù)步驟共測三次，求出彈簧的平均伸長量，由式=f2l （3-3）求出溶液的表面張力系數(shù)值，并求出其標準誤差，正確寫出測量結(jié)果。換不同濃度的溶液，重復(fù)以上步驟，并記錄實驗數(shù)據(jù)。3.2 實驗數(shù)據(jù)記錄和分析3.2.1 實驗數(shù)據(jù)記錄如下表表2-1 彈簧彈性系數(shù)的第一次測定次數(shù)砝碼質(zhì)量(g)增重讀數(shù)(cm)減重讀數(shù)(cm)平均值(cm)逐差法測彈性系數(shù)N/m007.287.327.30.28186455610.248.348.258.29520.489.079.039.0530.729.889.899.88540.9610.7

46、310.7310.7351.211.5511.5311.54 表2-2 彈性系數(shù)的第二次測定次數(shù)砝碼質(zhì)量(g)增重讀數(shù)(cm)減重讀數(shù)(cm)平均值(cm)逐差法測彈性系數(shù)N/m0014.2814.8514.5650.32155857510.2414.9615.0615.0120.4815.815.9415.8730.7216.6416.5216.5840.9617.4817.2817.3851.218.2417.8718.05561.4418.8718.6718.7771.6819.5719.519.535 表2-3 表面張力的第一次測定金屬絲寬5.496cm彈性系數(shù)0.28N/M彈性系數(shù)0

47、.32N/M溶液種類溶液濃度g/L次數(shù)S。cmScmS-S。/cmS-S。的平均值/cm受到彈性力/0.01N表面張力系數(shù)/N/m受到彈性力/0.01N表面張力系數(shù)/N/mSDS3012.63.961.361.320.36960.03360.42240.0384322.563.871.3132.583.871.29SDS2010.832.281.451.440.40320.03670.46080.0419220.812.261.4530.792.211.42SDS1610.832.281.451.50.420.03820.480.0436720.782.331.5530.782.281.5SD

48、S1410.832.131.31.30.3640.03310.4160.0378520.812.051.2430.832.191.36SDS1010.792.171.381.32670.37150.03380.42450.0386221.212.551.3431.232.491.26SDS811.282.651.371.37670.38550.03510.44050.0400821.262.641.3831.262.641.38SDS5.710.822.131.311.32670.37150.03380.42450.0386220.842.091.2530.812.231.42SDS411.2

49、32.461.231.230.34440.03130.39360.0358121.252.461.2131.252.51.25SDS211.262.521.261.26330.35370.03220.40430.0367821.252.531.2831.272.521.25SDS111.282.451.171.14670.32110.02920.36690.0333821.272.411.1431.292.421.13SDS0.311.262.291.031.06670.29870.02720.34130.0310521.262.351.0931.32.381.08雕牌813.574.621.

50、051.04670.29310.02670.33490.0304723.584.671.0933.574.571雕牌413.524.551.031.07330.30050.02730.34350.0312523.494.581.0933.544.641.1雕牌213.514.691.181.160.32480.02950.37120.0337723.524.641.1233.494.671.18雕牌1.613.534.641.111.140.31920.0290.36480.0331923.554.671.1233.494.681.19雕牌0.813.554.641.091.13330.317

51、30.02890.36270.0329923.514.671.1633.534.681.15雕牌0.413.574.681.111.11670.31270.02840.35730.0325123.554.651.133.564.71.14雕牌0.213.514.721.211.19670.33510.03050.38290.0348423.524.751.2333.544.691.15洗手液813.544.731.191.160.32480.02950.37120.0337723.534.691.1633.554.681.13洗手液413.544.621.081.080.30240.02750

52、.34560.0314423.564.641.0833.574.651.08康師傅礦泉水康師傅礦泉水13.555.371.821.8250.5110.04650.5840.0531323.515.341.833自來水2自來水212.384.942.562.8250.7910.0720.9040.0822422.434.882.4532.414.872.46蒸餾水3蒸餾水311.733.932.23.8251.0710.09741.2240.1113521.783.922.1431.783.962.18自來水4自來水412.65.292.694.8251.3510.12291.5440.1404722.635.252.6232.645.352.71 表2-4 表面張力的第二次測定金屬絲寬5.496cm彈性系數(shù)0.28N/M彈性系數(shù)0.32N/M溶液種類溶液濃度g/L次數(shù)S。cmScmS-S。/cmS-S。的平均值/cm受到彈性力/0.01N表面張力系數(shù)/N/m受到彈性力/0.01N表面張力系數(shù)/N/mSDS3011.73.071.361.34670.377070.03430