中国石油大学 油田化学实验表面活性剂的性能测定与评价-(特选材料)

中国石油大学油田化学实验报告

实验日期: 成绩: 班级: 学号: 姓名: 教师: 王增宝

同组者:

表面活性剂的性能测定与评价

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型表面活性剂浊点的测定方法及不同类型表面活性剂的使用性质；

3.学会一种表面活性剂的表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公示及其应用；

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原理；

5.学会观察表面活性剂溶液与原油混合后的乳化现象；并掌握用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具有亲水性的极性集团和具有憎水性的非极性基团所组成的有机化合物，当它们以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。表面活性剂广泛用于石油、纺织、农药、采矿、食品、民用洗涤等各个领域，具有润湿、乳化、洗涤、发泡等重要作用。

1.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，当达到某特定温度时，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）浊点是非离子型表面活性剂的一个特性常数，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，溶液出现浑浊。而不完全溶解的现象，此时该温度称为浊点温度。

2.表面活性剂的表面张力

由于静吸引力的作用，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，这就要克服静吸引力做功，所做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，表面张力就会发生变化。若溶质使液体的表面张力升高，则溶质在溶液相表面层的浓度小雨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。这种溶质在溶液相表面的浓度和相内部的浓度不同的现象叫吸附。

在一定的温度、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：

式中Г——吸附量（mol/L）；

C ——吸附质在溶液内部的浓度（mol/L）；

σ——表面张力（N/m）；

R ——通用气体常数（N.m/K.mol）；

T ——绝对温度（K）。

若dσ/dc<0，溶质为正吸附；若dσ/dc>0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，即可做出σ——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dσ/dc，将此值代入公式可求出在此浓度时的溶质吸附量。

表面活性剂的临界胶束浓度（CMC）是表面活性剂溶液非常重要的性质。若使液体的表面扩大。需对体系做功，增加单位表面积时，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·m-1和J·m-2，在因次上是相同的。

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改变，原则上，可以用任何一个突变的性质测定值，但常用的是表面张力—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。

表面张力的测定方法也有多种，较为常用的方法有最大压差法、滴体积（滴重）法和拉起液膜法（吊环法及吊片法）。

吊环法

把一圆环平置于页面，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。假设当环被拉向上时，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（即除去抵消环本身的重力部分）P为：

P=mg=2πRγ+2π（R+2r）γ=4π（R+r）γ+4πRγ

式中，m为拉起来的液体质量，R为环的内半径，r为环丝半径。实际上，是自是不完善的，因为实际情况并非如此，而是如图所示。因此对式子还需要加以校正。于是得：

γ=（P/2πR）×F

从大量的实验分析与总结，得出校正因子F的计算公式为：

式中：P——显示的读数值，mN/m；

C——环的周长，cm；

R——环的半径，cm；

D——下相密度（30℃），g/ml；

d——上相密度（30℃），g/ml；

r——环丝半径，cm。

2. 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10的零次方到负六次方 mN/m 的范围，可用旋滴法测定该体系的油水界面张力，为选择各种鱼原油形成低或超低界面张力的驱油剂溶液提供基础依据。

该方法是将油珠悬浮在水或水溶液中，在高速绕水平轴旋转下降油珠拉成柱形，柱体的直径与界面张力有关。在相同条件（转速、油水相密度差）下，油珠直径越小，界面张力越低。

旋滴法测定界面张力时，油滴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：

4

r3 2

ρω

∆

=

IFT

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

又可写为：

231n d 2336.1ρ

ρ）（∆=IFT 当L/D 〈4时，修正。

3. 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，可分布在油水界面上，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性对于化学驱和稠油乳化降黏具有重要作用，例如化学驱中乳化-携带、乳化-捕集、自发乳化等机理的发生，稠油乳化降黏中原油乳化分散机理的发生都是以水包油乳状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的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。不稳定系数按式2-16定义：

T

V U S I T dt t 0）（⎰= 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，乳状液的稳定性越好。

三、实验仪器及药品

1. 仪器：表面张力仪、Texas-500型旋转液滴界面张力仪、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。

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。

四、实验步骤

1. 表面活性剂表面张力及CMC 的测定

取 1.44gSDBS ，用少量蒸馏水溶解，然后在50ml 容量瓶中定容（浓度为