表面活性剂复配体系中性能、界面张力检测方案(表面张力仪)

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上海大学学报(自然科学版)JOURNAL OF SHANGHAIUNVERS IY (NATURAL SCENCE)第16卷第5期2010年10月Vol 16 No 5Octt2010 上海大学学报(自然科学版)第16卷·548 doi103969/ j issn10072861.2010.05.020 十六烷基三甲基溴化铵和3种十二烷基阴离子表面活性剂复配驱油体系的性能 高 伟. 孟庆阳. 杨黎明， 陈 捷. 徐 毅. 陈启华，相明辉， 宋新旺. 祝仰文 ( 1.上海大学环境与化学工程学院，上海200444 2中国石化股份胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营257000) 摘要：研究3种不同亲水基结构的阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠( sodium akyl benzene sulfonate A BS)、十二烷基硫酸钠 (sodium dodecyl sulfate SDS)、十二烷基羧酸钠 ( sod ium d ichlor isocyanurate SDC))与阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵( cetyltriethyl amm onium brom ide CTAB))的复配体系的性能，考察复配体系的相容性、泡沫量、泡沫稳定性、接触角、表面张力和界面张力.研究结果表明，阴阳离子复配体系在摩尔比接近1：1时，整个体系的泡沫性能下降，表面张力和界面张力趋于最大值，接触角趋于最小；在 SDC-CTAB体系中，当w(CTAB)=10% ~30%时，复配体系和胜利油田的原油形成超低界面张力. 关键词：表面活性剂；复配体系；摩尔比；泡沫性能；界面张力 中图分类号：TQ423 文献标志码： A 文章编号：：1007-2861(2010)05-0547-06 E ffects of Blend Surfactant on Perfom ance ofCTAB and Three D ifferentC12 Anionic Surfactants Com plex OilD isp lacing System GAO Wei. M ENGQingyang， YANG Liming， CHEN Jie， XU Yi. 22CHEN Qrhua， XANG M ing-hu i，SONG Xinwang， ZHU Y ang wen (11.. SchoolofEnv ironmental and Chem icalEng ineering ShanghaiUniversity Shanghai 200444，China2S D ilfiel Com pany ofG eolog icalSciences， SNOPEC， Dongy ing 257000， Shandong Ch ira) Abstract Properties of three k inds of surfactant composition systens with different hydroph ilic group ofan surfactant (sodium akyl benzene su lfonate (ABS)，sodium dodecyl sulfate (SDS)，，sodiumdich broisocyanurate (SDC)) and the same cationic surfactant cety ltriethyl amm onium brom ide (CTAB) werestudied Compatibility，foam property，contact anglesurface tension and interfacial tens ion of the sys tem swere measuredThe resu lts show ed when the mol ratio of an ion ic and cation ic surfactant was close to 1：1，the systems bst part of foam capacity while surface tension and interfacial tension reached the peakand contact ang le was the low est The SDC-CTAB system reached ultra- low interfacial tension ( IFT) w ithciude oilwhen the mass fraction of CTA B was in the range of 10%to 30% in the blend system. Key words anion ic and cationic surfactant blend system；moar ratin foam properties interfacaltension (IFT) ( 收稿日期：20 1 0-07-06 ) ( 基金项目：国家科技重大专项(油气田及煤层气开发)资助项目(2008ZX05011-002) ) ( 通信作者陈捷( 1 9 6 1Acao 教 授 ， 博 士，丰一，研究 有 为应 用 化 rouse . ai ishe r e s e ved. http：//www.cnki.net ) 由于复配表面活性剂体系具有单一表面活性剂所不具备的协同作用，因此对表面活性剂复配的研究越来越受到重视.由于表面活性剂复配体系具有不同的胶束结构，使其在表面形成混合吸附，从而降低表面张力，提高表面性能12-61.阴阳离子表面活性剂复配体系由于阴阳离子间的相互作用，能够较大程度地影响表面活性78通过适当的配比可获得较高的表面活性；但当阴阳离子表面活性剂达到某一比例时，也会因为阴、阳离子的相互结合而使表面活性剂的亲水基团失去功能，从而使活性降低.由此，可通过表面活性剂复配提高表面活性剂的性能，扩大其使用范围，降低成本[10-13] 本研究拟对3种具有不同亲水基的阴离子表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠 (sodium akyl benzenesu lfonate ABS)、十二烷基硫酸钠( sodium dodecylsulfateSDS)和十二烷基羧酸钠( sod iumdich bro isocyanurate SDC))与阳离子表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵 ( cetyltr iethyl amm on iumbrom ide CTAB))复配，研究阴、阳离子的相互作用规律及其对复配体系性能等的影响，得到一种无碱超低界面张力和高泡沫稳定性的复合泡沫驱油体系. 实验部分 11实验药品 ABS，分析纯；SDS分析纯； SDC，分析纯；CTAB， 分析纯；水，选用去离子水；实验用油，取自山东胜利油田原油. 12实验仪器 W aring B lender 04242-SE 高速组织捣碎机，北京中科科尔仪器有限公司； OCA20光学接触角仪和SVT20超低界面张力仪， Dataphys ics 德国. 1.3实验方法 1.31复配体系相容性测定 将3种表面活性剂复配体系按一定比例配成质量分数为05%的100mL溶液，在室温(25℃)下搅拌溶解 10m in 溶解完全后，观察溶液外观. 1.3 2复配体系泡沫性能的测定 对1.31节所配表面活性剂溶液，用 WaringBlender法测试体系的发泡量(VFoam)和半衰期(ti/2).具体操作步骤如下：将100 mL配制好的泡沫剂溶液倒入 W aring B lender搅拌器，室温下22000 起泡体积.将泡沫溶液放入45℃烘箱，测量分离出50mL溶液所用的时间，即为泡沫的排液半衰期114151 133复配体系接触角测定 对131节所配表面活性剂溶液，使用光学接触角仪测量体系在载玻片上的接触角，测定平衡时间为 1m in. 具体测量方法如下：测量时，用20mL微量进样器将检测液体在距玻璃表面约3 mm处垂直滴加在玻璃表面，形成座滴，液滴体积为 3~5L直径为 1~2mm.测量时间不超过1m in 所有测量均在室温下进行116 1.3 4复配体系表面张力的测定 对131节所配表面活性剂溶液，用悬滴法测定体系的表面张力.测定平衡时间为 30m in，所有测量均在室温下进行. 1.35复配体系界面张力的测定 对131节所配表面活性剂溶液，用旋转滴法测定体系和胜利油田原油的界面张力.测定平衡时间为60m in181所有测量均在室温下进行. 2实验结果与讨论 21复配体系相容性测定 表1为阴阳离子表面活性剂复配体系在不同配比下的稳定性测定结果.可以看出，随着阴、阳离子表面活性剂复配体系的摩尔配比接近1： 1(ABS-CTAB 体系中 n (CTAB)= 50%； SDS-CTAB SDC-CTAB体系中 n (CTAB)=60%)，复配体系的稳定性逐渐变差，由无色透明溶液向白色不透明溶液转变.这是因为随着阴阳离子表面活性剂的摩尔配比接近，阴、阳离子间的静电作用力加强，结合越来越紧密，使得体系形成不溶于水的大分子，部分失去表面活性剂的性能1.当阴阳离子表面活性剂复配体系中的一个组分过量时，体系的溶解度较等摩尔时更大，不易于形成不溶物而呈现为透明溶液1201.当阴、阳离子以单一组分存在时，阴离子或阳离子呈现单一结合. 另外，不同阴阳离子体系稳定性的差别在于阴离子表面活性剂的亲水基的不同.SDS的亲水性要高于 SDC， 这是因为硫酸是一种强酸，碳酸是一种中强酸，对应的表面活性剂的盐的性质，硫酸钠的亲水性要高于羧酸钠；而 SDC 的亲水性又高于 ABS 这是因为苯磺酸钠体系中有不亲水的苯基团存在.因 ABS-CTAB体系具有更好的溶解性. 表1133种不同比例复配体系的外观 Table 1 Appearance of different ratio of threeblendsurfactant so lu tion s 复配比例 ABS-CTAB 复配体系 SDS-CTAB SDC-CTAB 0：0.50 0.050.45 0100.40 015035 0.20030 0.25025 0.30020 0.350.15 0.401.10 045005 0.500.00 注：●一无色透明溶液，■一白色半透明溶液，◆一白色不透明溶液 22复配体系泡沫性能的测定 2 211复配体系泡沫量的测定 图1为复配体系中 CTAB的含量与体系发泡量的关系.可以看出，与阳离子 CTAB 相比，阴离子ABS SDS和 SDC 均具有较高的发泡量，其中 SDS的发泡量最大.随着 CTAB在复配体系中所占比例的增加，阴阳离子表面活性剂复配体系的泡沫量呈先减少后增加的趋势，并在阴、阳离子的摩尔比接近1：处出现最低点.这可能是由于此时阴阳离子表面活性剂复配体系形成的胶束难以分离，使得体系部分失去表面活性[2-231.当摩尔配比大于或小于1：1时，体系的表面活性有所回升，这可能是由于此时阴阳离子表面活性剂复配体系没有形成难以分离的胶束. 图1 复配体系中 CTAB含量对发泡量的影响 Fig1 E ffect of mass fraction of CTABon foamvolum e of the systems 由此可以看出，阴离子表面活性剂与阳离子表面活性剂复配后起泡力均有所降低.这是由于复配液发泡力与阴、阳离子表面活性剂复配相容性有关.在阴、阳离子表面活性剂混合后，溶液的表面活性得到提高，静表面张力降低[20211.但胶束内分子间的静电作用力增加122，胶团不易解体，束缚了表面活性剂单体自由移动到表面，使得表面上的表面活性剂浓度降低，导致起泡力的下降. 另外，不同复配体系泡沫量的差异可能是由阴离子表面活性剂亲水基团大小的不同引起.单位表面积上所排列的表面活性剂复合体系分子越多，体系活性越高120-21，发泡性越好.3种阴离子表面活性剂亲水基团的大小如下：苯磺酸钠最大，硫酸钠次之，羧酸钠最小. 22 2复配体系泡沫稳定性的测定 图2为复配体系中 CTAB含量与体系泡沫稳定性的关系.可以看出，阴阳离子表面活性剂复配体系的泡沫稳定性都要高于单一组分的阴离子或阳离子表面活性剂的泡沫稳定性.在阴离子表面活性剂中复配少量阳离子表面活性剂，可以提高泡沫稳定性，因为这样可以部分减弱阴离子表面活性剂离子基头间的电荷斥力，使表面层的活性剂分子排列更加紧密，同时还能保持部分电荷，使电荷双电层存在231 图2 复配体系中CTAB含量对泡沫稳定性的影响 Figg2 Effect of m ass fraction of CTAB on： foamstability of the systm s 当阴、阳离子表面活性剂的摩尔比在1：1时(ABS-CTAB体系中 n (CTAB)= 50%； SDS-CTAB，SDC-CTAB体系中 n (CTAB)= 60%)， 复配体系中的阴、阳离子亲水基团结合最紧密，这使得体系形成不溶于水的大分子，部分失去表面活性剂的性能导致复配体系的泡沫稳定性变差，当摩尔配 比大于或小于1：时，体系的表面活性有所回升，这可能是由于此时阴阳离子表面活性剂复配体系没有形成难以分离的胶束，致使单位表面积上所排列的表面活性剂复合体系分子增多，静电作用力增强，泡沫稳定. 223 复配体系表面张力的测定 图3为复配体系中 CTAB含量与体系表面张力的关系.可以看出，阴阳离子表面活性剂的复配体系中的 CTAB含量对表面张力影响很大17-81.3种阴阳离子表面活性剂复配体系的表面张力呈先升高后降低的趋势.当阴、阳离子表面活性剂的摩尔比为1：1时(ABS-CTAB体系中 n(CTAB)=50%； SDS-CTAB，SDC-CTAB体系中 n(CTAB)=60%)，体系的表面张力最高，表面活性得到最大降低.可见，这3种阴阳离子表面活性剂复配体系对表面张力没有协同效应.这可能是由于阴阳离子表面活性剂复配体系的相容性，导致活性降低9，从而产生这一结果. 图3复配体系中 CTAB含量对表面张力的影响 Fig 3 E ffect of m ass fraction of CTAB on facialtension of the system s 224 复配体系接触角的测定 图4为复配体系中 CTAB含量与体系接触角的关系.可以看出，阴阳离子表面活性剂的复配体系对接触角影响很大1781.3种阴阳离子表面活性剂复配体系的接触角呈现相同的趋势，即随着 CTAB含量的增加，体系和玻璃的接触角先减小后增大.当阴、阳离子表面活性剂的摩尔比为1：1时(ABS-CTAB体系中 n(CTAB)= 50%； SDS-CTAB， SDC-CTAB体系中n(CTAB)=60%)，体系的表面活性得到最大降低，接触角最小.可见，这3种阴阳离子表面活性 223节相同. 图4 复配体系中 CTAB含量对接触角的影响 Fig 4 Effect of mass fraction of CTAB on con tactangle of the system s 225复配体系界面张力的测定 图5为复配体系中 CTAB含量与体系界面张力的关系.可以看出，随着阴阳离子表面活性剂复配体系配比的变化，3种体系的界面张力在摩尔比接近1：1 (ABS-CTAB体系中 n(CTAB)= 50%； SDS-CTAB， SDC-CTAB体系中 n(CTAB)=60%)出现最高点.这是因为随着阴、阳离子表面活性剂摩尔配比的接近，阴、阳离子间的静电作用力最强，结合最紧密，使得体系形成不溶于水的大分子，部分失去表面活性剂的性能19.而当摩尔配比大于或小于1：1时，体系的表面活性有所回升，这可能是由于此时阴阳离子表面活性剂复配体系没有形成难以分离的胶束. 图5 复配体系中 CTAB含量对界面张力的影响 Fig 5 E ffect ofm ass fraction of CTAB on interfacaltension of the system s 此外，在 SDC-CTAB体系中可以看出，当 利油田的原油形成超低界面界力(10°N/m).这是因为当阴阳离子表面活性剂复配体系在界面上的吸附量得到很大提高时，阴阳离子表面活性剂有序排列形成了低表面能紧密的碳氢键，表面活性剂转移到油相22. 首先，阴、阳离子表面活性剂的复配体系在水溶液中溶解后，两种电性相反的阴、阳离子会产生较强的作用.这是因为：①两种表面活性剂离子间的强烈静电作用使表面活性剂之间的距离缩短，在单位表面上排布更多的活性剂，从而使复合体系的表面活性得到了较大的提高1241，②两种离子表面活性剂的亲油基之间也存在相互吸引作用，因此大大增加了阴、阳离子表面活性剂离子之间的缔合.因此更易于在界面和表面吸附，也更容易在溶液中形成胶束而表现出高的表面活性. 其次，当w(CTAB)=10%~30%时，这种不等比的复合可能会导致复合乳化剂体系产生较高的表面活性与增效作用.因为某一种表面活性剂组分过量很多的复配体系较等摩尔的复配体系，溶解度大得多，因此溶液不容易出现沉淀，类似于无机化学中电解质溶于水时的“盐效应”所以，在实际应用中，可采用价格低的阴离子表面活性剂为主，配以少量的阳离子表面活性剂，即可得到表面活性较高的复合表面活性剂. 3结i论 (1)阴、阳离子表面活性剂在一定的比例下复配，可得到较高的发泡体积、较稳定的泡沫和较低的界面张力. (2)当阴、阳离子表面活性剂的摩尔比接近1：时，复配体系的泡沫性能和表面活性变差. (3)在一定的配比下 SDC-CTAB体系能与胜利油田的原油形成超低界面张力体系. ( 参考文献： ) ( [1] 肖进新，赵振国.表面活性剂应用原理[M].北京：化 学工业出版社，2003 199-205. ) ( 杨光，叶仲斌，张凤英，等.表面活性剂复配体系对正构烃冰界面张张的协同作用研究[J].石油与天然气 化工，2005 3 4 (3)：2 0 0-202 ) ( [31 崔正刚.阴离子阳离子混合表面活性剂体系的协同效应及其应用[J].日用化学品科学，1998(4)：23-28 ) ( 11 z 0 毛 ，牟建海，等. . 混合羧酸盐复合驱油体 ) ( 系的研究[J.日用化学工业，2004， 34(1)：9-11. ) ( 「51 李作锋，潭惠民.表面活性剂混合体系的起泡性和泡 沫稳定性[J].油气田地面工程，2003(4)：13-14. ) ( [61 霍姆博格K，琼森B，科隆博格B等.水溶液中的表面活性剂和聚合物[M].2版.韩丙勇，张学军，译.北 京：化学工业出版社，2005340. ) ( [71 AMANTE JCSCAMEHORNJE HARWELL JH H. Precipition o f m ixtures of anion ic and ca t ion ic su r factants[ J ]. 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