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陽-非離子復合表面活性劑體系表面張力測定及基礎性能評價（二）
來源：《石油化工》 瀏覽 640 次 發布時間:2025-04-27
2結果與討論
2.1單一表面活性劑體系基礎性能評價
2.1.1表面張力測定
單一表面活性劑（CH-1，CH-2，CH-3，CH-4，CH-5）體系與模擬地層水或凝析油混合后的表面張力測定結果見圖1。
圖1單一表面活性劑體系與模擬地層水（a）或凝析油（b）混合后的表面張力
由圖1可看出，未經表面活性劑處理的模擬地層水和凝析油的表面張力分別為72.0 mN/m和40.0 mN/m。隨著表面活性劑濃度的增加，5種單一表面活性劑體系的表面張力均逐漸減小并趨于平衡。5種體系中，CH-1降低表面張力的能力最強，CH-2次之。CH-1與模擬地層水混合后溶液的表面張力最低僅為21.87 mN/m，與凝析油混合后溶液的表面張力最低僅為24.10 mN/m；CH-2與模擬地層水混合后表面張力最低為24.78 mN/m，與凝析油混合后溶液的表面張力最低為25.34 mN/m。這是因為這兩種體系中C—F烴分子間引力大于其他體系中C—H烴分子間引力，使得以C—F烴為疏水基體系的表面張力低于C—H烴；其次，陽離子表面活性劑在水中解離出帶電荷的離子，離子間的靜電作用較強，使得它們在液相表面的吸附更為緊密，能夠更有效地降低表面能，而非離子表面活性劑與水的相互作用主要是通過氫鍵等弱相互作用，在液相表面形成的吸附層相對較松散，降低表面能的能力低于陽離子型表面活性劑。
2.1.2潤濕改性能力測定
單一表面活性劑體系的疏水改性和疏油改性能力見圖2。由圖2可看出，隨著表面活性劑濃度的增加，5種體系對應的接觸角均先增大后降低最終趨于平衡；CH-1的潤濕改性效果最好，CH-2次之；石英片經CH-1體系處理后，模擬地層水在石英片表面上的接觸角由23.0°增至101.8°，凝析油在石英片表面上的接觸角由36.0°增至97.2°；石英片經CH-2體系處理后，模擬地層水在石英片表面的最大接觸角為97.7°，凝析油在石英片表面的最大接觸角為94.5°。這是因為這兩種體系中以C—F烴為疏水基的疏水性強于以C—H烴為疏水基的其他體系。當CH-1和CH-2分別通過靜電作用和氫鍵作用吸附在石英片表面時，氟碳鏈裸露在石英片表面，形成一層疏水疏油膜，使其既能疏水又能疏油。
圖2單一表面活性劑體系的疏水改性（a）和疏油改性（b）能力
通過單一表面活性劑體系的基礎性能評價，優選出陽離子表面活性劑CH-1和非離子表面活性劑CH-2兩種體系，以下工作的復合表面活性劑體系均為這兩種表面活性劑復配得到的一種陽-非離子復合表面活性劑。
2.2復合表面活性劑體系基礎性能評價
2.2.1電導率測定
電導率法是測定離子型表面活性劑臨界膠束濃度（cmc）的一種經典方法，通過電導率隨表面活性劑濃度變化曲線的轉折點判斷cmc的大小。圖3為298.15 K時不同表面活性劑體系（陽離子表面活性劑CH-1體系與陽-非離子復合表面活性劑體系）的電導率隨濃度的變化。
圖3不同表面活性劑體系電導率隨濃度變化
由圖3可看出，兩種表面活性劑的電導率均隨濃度的增加呈先迅速增大后緩慢增長的趨勢。這是因為表面活性劑濃度低于cmc時，表面活性劑主要以單體形式存在，單體中的離子可在溶液中自由移動，從而增加了溶液的導電能力；當表面活性劑濃度高于cmc時，一部分離子被包裹在膠束內部，使得自由移動的離子數量增加幅度減小，遠小于濃度低于cmc時電導率隨濃度增加的幅度。陽-非離子復合表面活性劑電導率轉折點時的濃度低于CH-1電導率轉折點時的濃度。這是因為復配后，離子型表面活性劑的離子頭基與非離子表面活性劑的極性頭基之間可通過靜電引力、離子-偶極等作用相結合。這種相互作用增強了表面活性劑分子在界面上的吸附能力和在溶液中的聚集能力，使得形成膠束所需的濃度降低，即cmc減小。
2.2.2表面張力測定
不同表面活性劑體系（陽離子表面活性劑CH-1，CH-2與陽-非離子復合表面活性劑體系）與模擬地層水或凝析油混合后表面張力見圖4。由圖4可看出，隨著表面活性劑濃度的增加，3種體系對應溶液的表面張力均逐漸減小并趨于平衡。3種體系中，陽-非離子復合表面活性劑體系降低表面張力的能力最強，陽-非離子復合表面活性劑濃度為0.05 mol/L時，與模擬地層水混合后溶液的表面張力僅為18.7 mN/m，與凝析油混合后溶液的表面張力僅為21.23 mN/m。這是由于陽離子表面活性劑與非離子表面活性劑分子間存在協同效應，它們的分子頭基間相互嵌入，形成混合聚集體，使得陽離子表面活性劑分子頭基間的靜電斥力降低，因此陽-非離子復合表面活性劑與單一陽離子表面活性劑、非離子表面活性劑相比表面活性最強。
圖4不同表面活性劑體系與模擬地層水（a）或凝析油（b）混合后表面張力
2.2.3潤濕改性能力測定
不同表面活性劑體系（陽離子表面活性劑CH-1，CH-2與陽-非離子復合表面活性劑體系）疏水改性和疏油改性能力見圖5。
圖5不同表面活性劑體系疏水改性（a）和疏油改性（b）能力
由圖5可看出，隨著表面活性劑濃度的增加，3種體系對應的接觸角均先增大后降低最終趨于平衡；陽-非離子復合表面活性劑體系的潤濕改性效果最好，可使模擬地層水在石英片表面上的接觸角由23.0°增至108.0°，使凝析油在石英片表面上的接觸角由36.0°增至102.0°；石英片經CH-1或CH-2處理后，模擬地層水在石英片表面的最大接觸角分別為101.8°或97.7°，凝析油在石英片表面的最大接觸角分別為97.2°或94.5°。這是因為陽離子表面活性劑分子與非離子表面活性劑分子間存在復配協同效應。圖6為復合表面活性劑體系潤濕改性機理示意圖。由圖6可看出，陽離子表面活性劑分子與非離子表面活性劑分子構成的混合聚集體與砂巖表面羧酸類物質形成離子對的驅動力為靜電引力、氫鍵、范德華力的共同作用力，作用效果遠大于單一的靜電引力、氫鍵及范德華力。這些共同作用力使復合表面活性劑在界面上的吸附能力通常比單一表面活性劑更強。陽離子表面活性劑和非離子表面活性劑可同時或交替地吸附在固體表面，形成更緊密、更穩定的吸附層，這種吸附層可以改變固體表面的性質，使其更疏水疏油。
圖6復合體系潤濕改性機理示意圖