表面活性剂的性能测定与评价

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（N.m/K.mol）

T-绝对温度（K）

d/dc<0,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：

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4r IFT ρω∆=

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()T V t dt

USI T =⎰