中國石油大學(xué)油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)表面活性劑的性能測定與評價(jià)

1、中國石油大學(xué)油田化學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)日期：成績：班級：學(xué)號：姓名:教師：王增寶一同組者： 一表面活性劑的性能測定與評價(jià)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解用指示劑和染料通過顯色反應(yīng)鑒別表面活性劑類型的原理和方法；. 了解離子型表面活性劑克拉夫特點(diǎn)和非離子型表面活性劑濁點(diǎn)的測定方法及不 同類型表面活性劑的使用性質(zhì)；.學(xué)會(huì)一種表面活性劑的表面張力的測定原理和方法，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公示及其應(yīng)用；.學(xué)會(huì)表面活性劑溶液與原油的油水界面張力的測定原理和方法，并掌握超低界面 張力在三次采油中的作用原理；.學(xué)會(huì)觀察表面活性劑溶液與原油混合后的乳化現(xiàn)象；并掌握用不穩(wěn)定體系數(shù)法評

2、 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具有親水性的極性集團(tuán)和具有憎水性的非極性基團(tuán)所組成的 有機(jī)化合物，當(dāng)它們以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。表面活 性劑廣泛用于石油、紡織、農(nóng)藥、采礦、食品、民用洗滌等各個(gè)領(lǐng)域，具有潤濕、乳化、 洗滌、發(fā)泡等重要作用。.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)達(dá)到某特定溫度時(shí)，溶解度急劇陡升，把該溫度稱為臨界溶解溫度（又稱克拉夫特點(diǎn)）濁點(diǎn)是非離子型表面活性劑的一個(gè)特性常數(shù)，其受表面活性劑的分子結(jié)

3、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)，溶液出現(xiàn)渾濁。而不完全溶 解的現(xiàn)象，此時(shí)該溫度稱為濁點(diǎn)溫度。.表面活性劑的表面張力由于靜吸引力的作用，處于液體表面的分子傾向于到液體內(nèi)部來，因此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，這就要克服靜吸引力做功，所做 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)發(fā)生變化。若溶質(zhì)使液體的表面張力升高，則溶質(zhì)在溶液相表面層的濃度小雨在溶 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

4、。這種溶質(zhì)在溶液相表面的濃度和相內(nèi)部的濃度不同的現(xiàn)象叫吸附。在一定的溫度、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：c do 1= RTde式中吸附量（mol/L）;C吸附質(zhì)在溶7內(nèi)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絕對溫度（K）。若ddc0溶質(zhì)為負(fù)吸附。通過實(shí)驗(yàn)若能測出表面 張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系，即可做出一一 c曲線，并在此曲線上任取若干個(gè)點(diǎn)作曲線的 切線，這些曲線的斜率即為濃度對應(yīng)的 ddc,將此值代入公式可求出在此濃度時(shí)的 溶質(zhì)吸附量。表面活性劑的臨界膠束濃度（CMC是表面活性劑溶液非常

5、重要的性質(zhì)。若使液體 的表面擴(kuò)大。需對體系做功，增加單位表面積時(shí)，對體系做的可逆功稱為表面張力或表 面自由能。他們的單位分別是 N-m1和J m2,在因次上是相同的。表面活性劑在溶液中能夠形成膠束時(shí)的最小濃度稱為臨界膠束濃度，在形成膠束 時(shí)，溶液的一系列性質(zhì)都發(fā)生改變，原則上，可以用任何一個(gè)突變的性質(zhì)測定值，但常 用的是表面張力一濃度對數(shù)圖法。該法適合各種類型的表面活性劑，準(zhǔn)確性好，不受無 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)，曲線中出現(xiàn)最低點(diǎn)。表面張力的測定方法也有多種，較為常用的方法有最大壓差法、滴體積（滴重）法 和拉起液膜法（吊環(huán)法及吊片法）。吊環(huán)法把一圓環(huán)平置于頁

6、面，測量將環(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)被拉向上時(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，環(huán)脫離液面。設(shè)環(huán)拉起的P為:P=mg=2R +2 冗(R+2r) 丫 =4 兀(R+r) 丫+4 兀 Ry液體呈圓筒形，對環(huán)的附加拉力（即除去抵消環(huán)本身的重力部分）式中，m為拉起來的液體質(zhì)量，R為環(huán)的內(nèi)半徑，r為環(huán)絲半徑。實(shí)際上，是自是 不完善的，因?yàn)閷?shí)際情況并非如此，而是如圖所示。因此對式子還需要加以校正。于是丫 = (P/2 兀 R) XF從大量的實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)，得出校正因子F的計(jì)算公式為：0.01

7、452PT679rF -0.7250+ 0,04534-*（D-d）R式中：P顯示的讀數(shù)值，mN/m ;C環(huán)的周長，cm；R 環(huán)的半徑，cm；D 下相密度（30 C） , g/ml ；上相密度(30 C) , g/ml ;r 環(huán)絲半徑，cm,.表面活性劑的油水界面張力的測定在地層溫度下，表面活性劑溶液與原油的界面張力在 10的零次方到負(fù)六次方mN/m 的范圍，可用旋滴法測定該體系的油水界面張力， 為選擇各種魚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)。該方法是將油珠懸浮在水或水溶液中， 在高速繞水平軸旋轉(zhuǎn)下降油珠拉成柱形， 柱 體的直徑與界面張力有關(guān)。在相同條件（轉(zhuǎn)速、油水相密度差）下

8、，油珠直徑越小，界 面張力越低。旋滴法測定界面張力時(shí)，油滴在樣品管中高速旋轉(zhuǎn)，呈橢球形，橢球的長軸直徑為L,短軸直徑為D,當(dāng)L/D 乂時(shí)，界面張力按下式計(jì)算:IFT式中 油水密度差，kg/m；樣品管轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s ；r 油滴短軸半徑，m又可寫為:IFT1 .2336當(dāng)L/D 4時(shí)，修正。.表面活性劑的乳化張力的測定表面活性劑分子具有親水基和親油基，可分布在油水界面上，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)定性對于化學(xué)驅(qū)和稠 油乳化降黏具有重要作用，例如化學(xué)驅(qū)中乳化 -攜帶、乳化-捕集、自發(fā)乳化等機(jī)理的發(fā) 生，稠油乳化降黏中原油乳化分散機(jī)理的發(fā)

9、生都是以水包油乳狀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的十分重要的一類添加劑。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)按式2-16定義:USI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)定性越好。三、實(shí)驗(yàn)儀器及藥品儀器：表面張力儀、Texas-500型旋轉(zhuǎn)液滴界面張力儀、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

10、管、試管架、秒表、電爐。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 苯酚醴-10 （OP-10）、脫水原油/煤油、蒸儲(chǔ)水。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.表面活性劑表面張力及CMC勺測定取1.44gSDBS,用少量蒸儲(chǔ)水溶解，然后在50ml容量瓶中定容（濃度為 1.0 M0-1mol/L）。從1.0 X0-1mol/L的SDS溶液中移取5ml,放入50ml的容量瓶中定 容（濃度為1.0X10-2mol/L）。然后依次從上一濃度的溶液中移取 5ml稀釋十倍，配制 1.0 M0-11.0 M0-5mol/L五個(gè)濃度的溶液。吊環(huán)法用吊環(huán)法首先測定蒸儲(chǔ)水的表面張力，對一起進(jìn)行校正。然后從

11、稀至濃依次測定 SDBS 溶液，并計(jì)算表面張力，作出表面張力 -濃度對數(shù)曲線，拐點(diǎn)處即為 CMC 值。如 希望準(zhǔn)確測定值，在拐點(diǎn)處增加幾個(gè)測定值即可實(shí)現(xiàn)。吊環(huán)法測定表面活性劑溶液的表面張力的步驟如下：1 ）將儀器放在不受振動(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)。用熱洗液浸泡鉑絲環(huán)和測試時(shí)裝測試液的玻璃杯，然后用蒸餾水洗凈，烘干。鉑絲 環(huán)應(yīng)十分平整，洗凈后不能用手觸摸。2 ）開機(jī)，預(yù)熱30min 。3）配制表面活性劑溶液（一般情況下，配制的表面活性劑溶液濃度范圍為1.0 M0-61.0 M0-3mol/L）,用配制好的溶液潤洗玻璃杯。4）將自動(dòng)張力儀與超級恒溫水浴相連。5）顯示標(biāo)志

12、為“ A”或F”時(shí)調(diào)整升降桿，調(diào)整范圍是 010mN/m。6）將表面活性劑水溶液倒入玻璃杯中至一定深度，掛上鉑環(huán)，點(diǎn)“復(fù)位”按鈕。7）等穩(wěn)定恒定后，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)“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。8）根據(jù)測定的表面活性劑不同濃度C 時(shí)溶液的表面張力 ，繪制 -logC 曲線。.表面活性劑乳化能力的測定（1）取25ml具塞刻度試管10支，分別加入濃度為0、1.0 X0-1、1.0 M0-2、1.0 M0-3、 1.0 M0-4、1.0 M0-5mol/L的SDBS溶液各10ml

13、 ,分別用滴管準(zhǔn)確加入原油或煤油 10ml , 蓋上試管塞子，每支試管各上下震蕩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， 可每隔 1min 記錄一次） ， 共記錄 30min 。3 ）取乳化最穩(wěn)定的試管重新震蕩30 次，用分散法判別乳狀液類型。. 表面活性劑油水界面張力的測定通過Texas-500型界面張力儀測量油珠在溶液中的拉伸長度及直徑，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。界面張力測定步驟如下：1）開機(jī)、預(yù)熱2）裝樣A. 樣品管依次用石油醚、丙酮或乙醇清洗23 遍，最后用蒸餾水清洗

14、干凈34遍。B.用注射器注入所測定的外相溶液（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，則用針頭挑起一個(gè)小油滴，送 入樣管內(nèi)，將針頭貼在樣管內(nèi)壁并轉(zhuǎn)動(dòng)，使油滴粘在樣管內(nèi)壁，然后迅速拔出針頭，蓋 上樣品蓋帽。（3）測定A.儀器達(dá)到所設(shè)定的溫度后，將樣品管裝入旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)，擰緊壓緊帽（扶住軸端 的擋圈即可防止軸轉(zhuǎn)動(dòng)）。B.將觀測顯微鏡調(diào)整到合適的位置，以利于觀測。C.按下電機(jī)開機(jī)開關(guān)，調(diào)整轉(zhuǎn)速，選擇測定軟件的“數(shù)據(jù)菜單”，然后打開“數(shù) 據(jù)”菜單，點(diǎn)擊“開始采集”，程序開始采集數(shù)據(jù)。4.實(shí)驗(yàn)整理實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將用過的量筒、燒杯、帶塞具塞量筒等玻璃儀器清洗干凈，晾干，擺 放整齊，

15、待老師檢查完畢后方可離開。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理.整理所測得的表面張力數(shù)據(jù)，繪制-logC曲線，根據(jù)曲線求出CMOS。 溶液濃度 mol/l01.0 x 10-11.0 X10-21.0 X10-31.0 X10-41.0 X10-5最大拉力值Mn/m,173.9429.2432.4731.3841.5160.16273.7329.2832.8131.4241.4760.54373.6129.3232.9431.3841.7660.21平均值73.7629.2832.7431.3941.5860.30由圖可知cmc直約為10-3.12 mol/l.整理所測得界面張力數(shù)據(jù)，繪制界面張力隨時(shí)間的變化曲線

16、-t曲線，根據(jù)曲線指出超低界面張力區(qū)域。表3油水界面張力測定實(shí)驗(yàn)溫度：20.2C油相：煤油密度差：0.216g/cm3SDBS-0.011283970,mN / m37.192225.620927.708626.0298SDBS-0.11244461,mN / m23.640911.56944.78064.1469K蒙m口aPix a 工31. TOii/ ILiflG 1卜-2015SDS-0.011222736,mN / m97.426360.011151.161250.1590SDS-0.1191758,mN / m85.105558.587944.979543.80623、求出表面活性

17、劑在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的乳化原油的不穩(wěn)定系數(shù)。(1)在坐標(biāo)紙上繪制分出水的體積與時(shí)間的關(guān)系(V-t)曲線，注意每個(gè)表面活性劑的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的V-t曲線都應(yīng)在同一規(guī)格坐標(biāo)中繪出。(2)將V-t曲線與時(shí)間軸所包面積剪下，在電子天平上稱其質(zhì)量W.(3)在坐標(biāo)紙上剪下已知面積(A，單位為mL*min)的方框稱取其質(zhì)量 W(4)不穩(wěn)定系數(shù)按下式求出：T0v (t) dt w?aUSI TW0 ?tt/s051015202530001.03.05.07.59.510.0t/s030601201801.0 10 501.03.55.09.5t/s0306012024030054041.0 1001.02.53.

18、09.59.510t/S060120180240360540720900108012601500180011.0 100001.51.51.52.02.53.03.54.04.55.01.0 10 2003.04.55.06.06.57.07.57.58.08.08.531.0 1003.08.09.010.0分出水的體積與時(shí)間的關(guān)系（V-t）曲線0-lOxity-b1 SOO 70000根據(jù)擬合可知：濃度mol/lV (t)0V = 0.3679t - 0.3751.0 X10-1V = 0.0028t + 0.34051.0 X10-2V= -9E-12t 4 + 4E-08t3- 6E-

19、05t 2 + 0.037t - 1.18671.0 X10-3V = -0.0002t 2 + 0.0814t - 0.3429一一-41.0 X10V = -6E-05t 2 + 0.0506t - 0.5137-51.0 X10V= 0.0511t - 0.1897USITV (t) dtUSI TV dtT由此可計(jì)算出不穩(wěn)定系數(shù):0. 18395 3030 - 0. 375 30 5. 143530同理可得出:濃度mol/lUSI05.14351.0 10-12.86051.0 10-26.73761.0 10-35.58511.0 10-47.31631.0 10-54.40934、繪制USI(SDS)的關(guān)系曲線，找出使原油乳化的最佳表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍, 并解釋曲線的變化規(guī)律。USI-w (SDS)的美系曲淺B由曲線可以看出原油乳化的最佳表面活性劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0.010.1mol/l。圖像分析：質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加使得生成乳狀液的粒徑增大 ，乳狀液粒徑越大，由兩相密度差導(dǎo)致的油水分離速度也越快, 從而導(dǎo)致油水分層速度加快, 乳狀液析水率增值較大。另外 , 乳狀液液滴上浮聚集成團(tuán)后 , 石油磺