油田化学-第一章--表面活性剂

石油工程学院12020/7/17油田化学OilChemistry主讲：文守成石油工程学院石油工程学院22020/7/17课程学习内容•绪论•第一章表面活性剂•第二章油田用高分子•第三章化学驱油技术•第四章酸化、压裂及添加剂•第五章化学清蜡与防蜡•第六章油田化学堵水•第七章化学防砂•第八章油田水处理技术•第九章钻井液、完井液及添加剂•第十章固井水泥浆及添加剂石油工程学院32020/7/17本章应理解和掌握的内容1、表面活性剂的特点2、表面活性剂的分类3、表面活性剂的命名4、表面活性剂的性质和用途5、表面活性剂的结构与性质的关系6、油田常用表面活性剂合成﹑性质﹑用途第一章表面活性剂石油工程学院42020/7/172、表面张力（surfacetension）石油工程学院52020/7/17石油工程学院62020/7/17第一节表面活性剂的定义及分子结构特点界面：不同相之间的接触面叫界面基本概念：界面与表面固-固、固-液、液-液、液-气以及固-气表面：特定相之间的接触面叫表面液-气与固-气界面张力：界面张力指的是不相溶的两项间的张力表面张力：表面张力是界面张力的一种特殊形式，是指气-液或气-固界面间的张力。石油工程学院72020/7/17第一节表面活性剂的定义及分子结构特点界面或表面张力来源石油工程学院82020/7/17表面张力的产生，从简单分子引力观点来看，是由于液体内部分子与液体表面层分子(厚度约10－7cm)的处境不同。液体内部分子所受到的周围相邻分子的作用力是对称的，互相抵消，而液体表面层分子所受到的周围相邻分子的作用力是不对称的，其受到垂直于表面向内的吸引力更大，这个力即为表面张力。石油工程学院92020/7/17第一节表面活性剂的定义及分子结构特点各种物质的水溶液（浓度不大时）的表面张力和浓度的关系归纳为三种类型：表面活性剂（定义）:少量存在就能显著降低溶剂表面张力的物质(surfactantorsurfaceActiveAgent简写为SAA或SAa)。石油工程学院102020/7/17聚氧乙烯壬基苯酚醚十二烷基磺酸钠C12H25-SO3Na:2、表面活性剂分子的结构特点①大都是长链的有机化合物，烃链长度一般不少于8个碳原子；②分子中同时具有亲水基团和亲油基团。石油工程学院112020/7/17第二节表面活性剂分类主要按下面五种方法分类：石油工程学院122020/7/17第二节表面活性剂分类按离子类型分类：石油工程学院132020/7/17离子型活性剂：水溶液中电离生成离子。阴离子活性剂：水中电离后起活性作用的是阴离子阳离子活性剂：水中电离后起活性作用的是阳离子两性活性剂：具有两种离子（阴离子、阳离子）性质的表面活性剂称两性活性剂。非离子型活性剂：水溶液中不能电离成为离子的称为非离子活性剂石油工程学院142020/7/17二、按亲水基种类分类表面活性剂性质的差异，与亲油基大小、形状有关，主要与亲水基不同有关，活性剂分类，一般以亲水基结构分类为主。1、阴离子活性剂在水中可以离解，离解后起活性作用的部分是阴离子。起活性作用能大大降低溶剂的表面张力，改变表面状态，产生润湿及反润湿、乳化及破乳、分散及凝聚、起泡及消泡、加溶等作用。石油工程学院152020/7/17分类方法及分类：亲水基种类分类：①、阴离子表面活性剂：主要包含五大类羧酸盐是弱酸和碱形成的盐，在酸性溶液中不稳定，易生成脂肪酸或其他有机酸失去活性，Ca、Mg、A1皂不溶于水，不适宜在普通硬水中使用。磺酸盐是强酸(H2SO4或S03磺化)和碱生成的盐，能耐一定的酸碱度，少量Ca2+、Mg2+不会发生沉淀。阴离子活性剂用于起泡、乳化、防蜡、油井增产、水井增注、提高采收率等，是油田中应用广泛的活性剂。阴离子表面活性剂是表面活性剂主要类型。石油工程学院162020/7/17②阳离子活性剂：可分为五大类：伯铵、仲铵、叔铵、季铵以及吡啶盐；在水中可以离解，离解后起活性作用的部分是阳离子，绝大部分为含氮的化合物，有机胺的衍生物。用途：可作杀菌剂、防腐剂、缓蚀剂、抑制粘土膨胀等，在石油工业上的用途不如阴离子广泛。分类方法及分类：亲水基种类分类：石油工程学院172020/7/17③两性表面活性剂：两性活性剂起活性作用的部分带有两种电学性质。性能与用途：a）抗盐性能极高；b)杀菌能力强；c）低毒性，主要用于食品工业杀毒分类方法及分类：亲水基种类分类：石油工程学院182020/7/17④非离子活性剂：在水中不电离，亲水基团由一定数量的含氧基团醚基或羟基构成.可分为五大类：醚型、酯型、胺型、酰胺型以及混合型。分类方法及分类：亲水基种类分类：HLB1.8～3.8，亲油性较强，一般用作W/O乳化剂。有酯键-C00R，在强酸强碱中水解，稳定性差。胺型活性剂是有机胺，可溶于酸性水溶液中，同时具有非离子及阳离子活性剂的特性，如耐酸、杀菌性等。石油工程学院192020/7/17④非离子活性剂：在水中不电离，亲水基团由一定数量的含氧基团醚基或羟基构成.可分为五大类：醚型、酯型、胺型、酰胺型以及混合型。分类方法及分类：亲水基种类分类：石油工程学院202020/7/17两种表面活性剂介绍石油工程学院212020/7/17非离子活性剂的特点在溶液中不电离，不呈离子状态，不易受强电解质、无机盐、酸、碱存在的影响，化学稳定性好。非离子活性剂有浊点：浊点（定义）：表面活性剂析出，溶液变混浊时的温度。非离子活性剂在浊点以下溶于水，浊点以上不溶于水，离子型活性剂没有浊点，利用浊点鉴别离子型和非离子型活性剂。浊点产生的原因：出现浊点主要由非离子活性剂分子结构决定；聚合度n越大，亲水性越强，浊点越高，R中的C原子数越多，亲水性减弱，浊点下降。krafft点石油工程学院222020/7/17表面活性剂常规分类概图石油工程学院232020/7/17三、按相对分子质量分类按相对分子质量可分为低分子活性剂和高分子活性剂，一般使用的多为低分子活性剂，相对分子质量较大的(几千、几万、甚至几十万、几百万)活性剂称高分子活性剂。高分子活性剂分阴离子、阳离子、非离子、两性高分子活性剂。石油工程学院242020/7/17m＝17,n＝53，称2070,亲油分子量为2000，亲水分子量占整个分子量的70%。高分子活性剂多用于注水增粘、乳化、破乳、防蜡、悬浮体的分散和聚结。石油工程学院252020/7/17四、按溶解性分类分为水溶性和油溶性活性剂。通常用的活性剂一般为水溶性活性剂。当活性剂中含有聚氧乙烯(CH2CH2O)n1和聚氧丙烯(C3H6O)n2时，聚合度n1、n2的大小及亲油基R的碳链长短决定溶解性。一般，当R较大(如C12)，n1＝1～5时为油溶性活性剂;n1＞5为水溶性活性剂。(C3H6O)n2的相对分子质量大于800为亲油基，可以根据两个基团的不同比例调节活性剂的油溶性或水溶性。石油工程学院262020/7/17五、其它类型活性剂1、全氟表面活性剂亲油部分一般是全氟烷基，烷基中的H原子全部被氟所取代。全氟表面活性剂表面活性很高，水溶液的表面张力可达20mN/m以下，化学性质稳定，能耐强酸、强碱、强氧化剂和高温，价格高，用得少。石油工程学院272020/7/172、含硅表面活性剂聚硅氧烷化合物（硅油、硅树脂）的憎水性强，可作表面活性剂的亲油部分。目前对这些活性剂的物理化学性质及应用了解得很不够，国内外都在继续研究中。石油工程学院282020/7/173、双子表面活性剂双子表面活性剂是一类全新的表面活性剂，是通过联结基团将两个两亲体在头基处或紧靠头基处连接(键合)起来的化合物，特殊的化学结构使双子表面活性剂具有比传统表面活性剂更优的性能。石油工程学院292020/7/17与传统表面活性剂相比较，双子表面活性剂具有很多优良性质：很高的表面活性；很低的Krafft点和很好的水溶性；在降低水的表面张力方面表现出更高的效率；在降低水的表面张力的效能和效率方面，和传统表面活性剂(尤其是非离子型表面活性剂)间的复配能产生更强的协同效应；独特的流变性能，在很低的浓度范围内表现出粘弹性；更强的降低油/水界面张力的能力；对油的增溶能力更强。石油工程学院302020/7/17表面活性剂的命名阴离子活性剂命名：盐型活性剂与酯盐型活性剂1）盐型活性剂命名：盐型活性剂是由有机酸根和金属离子生成的盐，按盐命名；2）酯盐型活性剂命名：分子中有酯的结构，按酯也可按盐命名。命名为十二烷基磺酸钠盐；？石油工程学院312020/7/17表面活性剂的命名阳离子活性剂的命名两性活性剂的命名主要根据活性剂属哪“两性”参考前面的原则来命名。是有机阳离子和酸根生成的盐，按盐命名。如:？非离子活性剂的命名石油工程学院322020/7/17表面活性剂的命名阴离子活性剂命名：阳离子活性剂的命名两性活性剂的命名非离子活性剂的命名高分子活性剂的命名高分子表面活性剂属于聚合物，命名方法与聚合物命名方法相同，参见聚合物命名规则。石油工程学院332020/7/17活性剂的商品名及代号石油工程学院342020/7/17第四节表面活性剂的性质和作用一、表面（界面）吸附通常将有气相组成的气—固、气—液等界面称为表面，液—液、液—固接触面叫界面。石油工程学院352020/7/17吸附定义：物质从体相浓集到界面上的一种性质。气相中的某些物质可以在固体表面上浓集；液体中某些物质可以在气-液界面、液—液界面和固—液界面上浓集。通常把能有效吸附其他物质的固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质。根据吸附剂与吸附质之间作用力的性质，将吸附作用分为物理吸附和化学吸附。石油工程学院362020/7/17物理吸附不具选择性，在吸附过程中没有电子的转移，没有化学键的生成和破坏，没有原子的重排等反应，产生的吸附只是分子间的引力，吸附过程中吸附速率和解吸速率都很快。化学吸附具选择性，一些吸附剂只对某些吸附质产生吸附作用，吸附速率和解吸速率都很小。吸附一般需要一定的活化能，实质上是一种化学反应。石油工程学院372020/7/17应用：新烧好的木炭有吸湿、吸臭的性能，在湖南长沙马王堆一号墓里就是用木炭作为防腐剂和吸湿剂的。利用吸附回收少量的稀有金属，对混合物进行分离、提纯，回收溶剂，处理污水，净化空气以及进行吸附色谱等。分子筛富氧就是利用某些分子筛优先吸附氮的性质，提高空气中氧的浓度等等。石油工程学院382020/7/171、吸附量物质在固体表面(或界面)上的吸附量可直接测定。如气—固吸附，称量固体在吸附前后的重量，或测出气体吸附前后的压力，由固体重量差或气体压差就可求出吸附量；固—液吸附，可测量液相中的物质在吸附前后的浓度变化，由浓度差求出该物质的固体表面的吸附量；液—液界面的吸附量不易直接测定，通过界面性质随活性剂浓度的变化来算出吸附量。液—液界面吸附量可用Gibbs吸附公式算出。石油工程学院392020/7/17对只有一种溶质的稀溶液或非离子表面活性剂的吸附，Gibbs公式可写为：石油工程学院402020/7/172、影响吸附的因素亲水基的影响亲油基的影响电解质的影响温度的影响溶质浓度影响亲水基是影响吸附的主要因素，饱和吸附的分子面积取决于亲水基水化后的截面积。羧酸盐水化后的截面积大于磺酸盐和硫酸盐。聚氧乙烯非离子活性剂n大，吸附量小。对离子型活性剂，链长增加，吸附量增加。链长超过16C的直链离子型活性剂吸附量降低，主要长链卷曲使分子截面增加。对于聚氧乙烯非离子活性剂，当聚氧乙烯的聚合度相同时，憎水基加大，吸附量增加。加入电解质可使离子型活性剂吸附量增加，溶液离子强度增加可减小定向离子头间的排斥温度升高，离子型活性剂吸附量降低，非离子活性剂温度升至浊点后吸附量增加。活性剂的浓度增加，吸附量增加，当c＞cmc时，活性剂分子发生缔合，吸附量基本保持不变。石油工程学院412020/7/17二、胶束及临界胶束浓度胶束（micelles)：当溶液内表面活性剂分子数目不断增加时，表面活性剂疏水部分相互吸引，缔合在一起，亲水部分向着水，几十个或更多分子缔合在一起形成缔合的粒子，称为胶束。临