减阻表面活性剂的研究进展

第24卷第1期2007年1月精细化工FI NE C H E M I CAL SVo.l24,No.1J an.2007表面活性剂减阻表面活性剂的研究进展*乔振亮,熊党生(南京理工大学材料科学与工程系,江苏南京 210094)摘要:介绍了表面活性剂减阻的机理。

探讨了影响表面活性剂减阻效果的各种因素,包括:表面活性剂与补偿离子的结构及其浓度、管路系统的直径、流体的温度和速度以及环境中的金属离子。

论述了表面活性剂的减阻与传热效率之间的关系;并且讨论了在使用减阻表面活性剂的循环系统中提高传热效率的方法。

总结了减阻表面活性剂的一般特点。

预测了减阻表面活性剂的发展趋势。

引用文献35篇。

关键词:表面活性剂;减阻;传热效率中图分类号:TQ423.99 文献标识码:A 文章编号:1003-5214(2007)01-0039-05Progress i n D rag R educi ng Surfactant R esearchQ I A O Zhen li a ng,X I O NG Dang sheng(D e p ar t m ent of M aterial Science and E ngineer i ng,N anjin g Universit y of Science and T echnology,N anjing210094,J iangsu,China)Abstract:The m echanis m of drag reduc i n g surfactant is i n troduced.M any facto rs i n fluenc i n g t h e effectiveness o f drag reducing surfactant are addressed,such as surfactan,t counteri o n,concentra ti o n, dia m eter of c ircu lati n g syste m s,te m perature and velocity o f the fl u i d,and i o ns inside the recircu lation syste m s.The re l a ti o nship bet w een drag reduction and heat transfer ab ility i s discussed,and m ethods ofi m prov i n g the effic i e ncy of heat transfer i n the recircu lation syste m s conta i n ing the drag reduci n gsurfactan t are a lso described.Co mm on characteristics of drag reduc i n g surfactant are su mm arized.F i n ally,t h e developm ent trend of drag reduc i n g surfactant is i n d icated.35references are c ited.Key w ords:surfactan;t drag reduction;heat transfer ab ility19世纪80年代的石油危机引起了人们对减阻技术的普遍关注,继而这一技术迅速应用于各个行业。

主动减阻是一种向紊流中添加少量添加剂,使流体摩擦力大大降低的方法。

流体的紊流被改变或者受到抑制,便产生了减阻的效果。

一些少量的高分子聚合物和阳离子表面活性剂可以加在水中降低紊流阻力,研究发现,紊流流动阻力最高可以降低80%[1]。

所以,这一技术在远距离流体输送、城市供热制冷等领域具有良好的应用前景。

虽然一些水溶性的高分子也可以用来减阻,但是在有工业泵的系统中,如果用水溶性高分子就存在着机械降解的问题,并且降解后分子结构无法恢复,使减阻能力下降。

表面活性剂受大的剪切应力作用也会发生机械降解,但是它可以自行修复[2]。

因此,在有机械力的场合,多用表面活性剂来进行减阻。

用来减阻的表面活性剂有阳离子、阴离子、两性离子等。

阴离子表面活性剂做减阻剂使用时,易与水中的钙、镁离子形成沉淀而影响减阻效果;阳离子表面活性剂做减阻剂对水质要求不高,有更广泛的使用范围;在加热系统中用两性减阻表面活性剂也是一种增加经济效益的很有前途的方法[3]。

在实际使用中最常用的表面活性剂是阳离子型和两性离子型两类。

减阻表面活性剂的特殊重要性,使它受到广泛关注,国内许多人都做了相关研究[4~7]。

本文综述了减阻表面活性剂的研究进展。

*收稿日期:2006-06-19;定用日期:2006-09-08作者简介:乔振亮(1970-),男,河南省巩义市人,博士研究生,师从熊党生教授,主要从事生物材料、仿生减阻材料的研究,电话:025-********,E-m ai:l q i aozhen liang@126.co m。

1 表面活性剂减阻机理由于减阻表面活性剂的表观特点,很容易使人从直观上认为这类表面活性剂应有黏弹性。

Sav ins1967年首先阐明减阻表面活性剂溶液应表现出黏弹性的观点。

但后来证实,只有当表面活性剂的浓度超过一定值时它才表现出黏弹性[8],而此时一样可以没有减阻效果。

有减阻效果的表面活性剂也不一定就有黏弹性,Lin[9]等就发现了当补偿离子浓度超过一定值时,表面活性剂能够减阻但没有黏弹性的例子。

有研究者认为,拉伸弹性是控制减阻的主要因素之一,例如:阳离子表面活性剂氯化十六烷基三甲基铵/水杨酸钠体系有很好的减阻效果,该系统就有很高的拉伸弹性[10]。

有人认为剪切诱导结构(SIS:shear i n duced str ucture)的存在是表面活性剂减阻的必要条件。

但是M yska[11]等通过改变溶液的温度以及添加一些离子这两种方法,可使所用表面活性剂体系的剪切诱导结构丧失,而此时表面活性剂仍有减阻效果。

因此作者认为,剪切诱导结构不是表面活性剂减阻的绝对必要条件。

也有人认为表面活性剂能够减阻,最重要的特点是在其结构中有棒状或蠕虫状的线性胶团[12]。

减阻表面活性剂在溶液中有线性的胶团结构,这种结构在抑制紊流和降低摩擦系数上起着重要作用[13]。

总之,到现在为止,表面活性剂的减阻机理仍没有一个确定的说法。

表面活性剂减阻机理的复杂性,决定了在今后相当长的时间内减阻机理仍是表面活性剂研究的重点问题之一。

2 影响表面活性剂减阻的因素表面活性剂实际应用是在复杂的环境中,因此,影响表面活性剂减阻的因素很多。

这些因素主要包括:表面活性剂的结构以及浓度、补偿离子的结构以及浓度、流体介质和外界环境等。

2.1 表面活性剂2.1.1 烷基链中碳原子数的奇偶性用氯化烷基三甲基铵(简写为C n TAC,n为烷基中碳原子数)/3 氯安息香酸盐体系研究了不同碳原子数对减阻效果的影响。

20 时C15TAC溶液的减阻率很小;25 时溶液减阻率的最大值为65%;55 最大值为50%;60 时最大值仅20%;60 以上时线性胶团结构变成了球形,无减阻效果。

因此,最有效的减阻温度为25~55 。

其余不同碳链长度的表面活性剂的减阻温度范围见表1。

表1中有效减阻温度下限呈现出Z字形的变化规律[14],这正是烷基链奇偶性对减阻影响的表现。

表1 CnTAC/3 氯安息香酸盐体系的有效减阻温度[14]T ab le1 E ffecti ve drag reducti on te m pera t ure range for CnTA C/3 chlorobenzoa te syste m[14]链长C15C16C17C18减阻温度/ 25~5530~6030~6535~85有很多人研究了这一现象,都没有给出一个令人满意的解释。

LiYa j u an[15]等研究了二价染色体活性剂烷基链的奇偶性影响其胶团生成焓原因。

对于烷基链长为偶数的活性剂,季铵官能团中碳碳键的方向与主要分子轴的方向一致,这有利于烷基链的聚集;而对于烷基链长为奇数的活性剂,季铵官能团中碳碳键的方向与主要分子轴的方向发生偏离,这不利于烷基链的聚集。

因此,烷基链为偶数的活性剂,胶团生成焓随碳原子数增加直线下降;烷基链为奇数的活性剂,胶团生成焓随碳原子数增加是渐渐上升的。

2.1.2 烷基链头基[16]总的说,在高温时头基较大的活性剂减阻效果较差,并且头基较大的活性剂减阻温度上限也较低。

这是因为在表面活性剂减阻过程中,补偿离子的结合状态起着很重要的作用,它影响胶团的形态和生长动力学。

如果活性剂的头基较大,补偿离子和头基之间的位阻也较大,补偿离子和头基之间的结合就较差,很容易在较低的温度下就分裂了。

用烷基链相同而头基不同的活性剂来研究头基对其减阻效果的影响,分别做了两组对比实验,即将C n TAB(溴化烷基三甲基铵)和CD M E AB(溴化十六烷基二甲基乙基铵)对比;将DMHTB(氯化氢化牛脂基二甲基苄基铵)和C n TAC对比。

CDMEAB头基的疏水性比C n TAB的强,头基的尺寸较大,补偿离子和头基之间的位阻也较大,同样条件下CD MEAB体系中形成的胶团尺寸比C n TAB 的小。

在低温时,因为CD M EAB体系比C n TAB体系有更多的线性胶团,减阻效果比C n TAB的好。

在高温时,CDMEAB体系中线性胶团转变成了短的棒状结构,几乎没有减阻效果;而C n TAB体系中本来没有减阻效果的泡状结构转变为线性胶团,因此其减阻效果比CD MEAB体系的好。

DMHTB头基上连有苯基,由于苯基可以和胶团相互作用,在补偿离子浓度较低时就可以使胶团快速生长,因此DMHTB体系的减阻效果比C n TAC体系的效果好。

但是D MH TB体系要有减阻效果,补偿离子浓度和表面活性剂的浓度的比值不能太大,否则胶团生长太快容易发生相分离,但这个比值大,可以提高减阻温度上限。

换句话说,具有较大头基的DMHTB体系在高温时减阻效果较差。

40精细化工 FI N E CHE M I C ALS第24卷2.1.3 烷基链长度不论烷基链长是奇数或偶数,活性剂的临界胶团浓度都随着碳原子数的增大而减小。

例如:在303 15K时,双溴化烷基二甲基己基铵溶液的临界胶团浓度随着烷基链长度的增加而减小[15]。

因为随着链长的增加疏水性增大,聚集在活性剂胶团内部的活性剂分子就较多,导致胶团生长。

临界胶团浓度的减小使活性剂在较低的浓度下就可能形成线性胶团,线性胶团又是减阻的前提条件,因此烷基链的增长对减阻有利。