Лекция 6 Раздел 6: Сорбционные процессы

Тема 7: Механика промывочных жидкостей и тампонажных растворов.

1 Адсорбция.

2. Абсорбция.

3. Поверхностно-активные вещества.

1. Адсорбция

Адсорбция - это явление самопроизвольного повышения концентрации газообразного или растворенного вещества на поверхности твердого тела или

жидкости в гетерогенных (неоднородных) системах. Различают физическую, или

Ван-дер-Ваальсову, адсорбцию и химическую, или хемосорбцию. Более общим термином, характеризующим самопроизвольное cгущение какого-то компонента на поверхности раздела двух фаз, является сорбция. При этом поглощающее вещество называется сорбентом, поглощаемое - сорбтивом. В зависимости от того, насколько глубоко проникают частицы сорбтива в сорбент, различают адсорбцию (вещество поглощается в поверхностном слое) и абсорбцию (вещество поглощается всем объемом тела).

В физикохимии буровых и тампонажных растворов велика роль как физических, так и химических поверхностных явлений. Они обусловливают такие

свойства этих систем, как устойчивость к коагулирующему действию электролитов, структурно-механические показатели. С адсорбционными явлениями связан механизм действия реагентов-стабилизаторов, понизителей вязкости и замедлителей сроков схватывания цементных растворов. Адсорбционные слои при физической

адсорбции имеют электрическую природу. Эти силы возникают при взаимодействии молекул с жестким (постоянным) диполем, жестким и индуцированным диполем, между неполярными молекулами, вследствие мгновенного дипольного момента и между молекулами при водородной связи. К химическим связям относятся ионные,

ковалентные и координационные.

Независимо от состава поверхностных слоев адсорбционные процессы характеризуются следующими общими свойствами.

 Процессы адсорбции обратимы и носят избирательный характер.

Частицы, находящиеся в адсорбционных слоях, не закреплены жестко, они могут выходить за пределы действия межмолекулярных сил, т.е. отрываться от адсорбента и уходить в окружающее пространство - десорбироваться. Со временем среднее число частиц, покинувших поверхностный слой, становится равным

числу адсорбируемых частиц за тот же период времени и в системе устанавливается адсорбционное равновесие.

 Процесс адсорбции экзотермичен, т.е. протекает с выделением тепла. В соответствии с принципом смещения равновесий (принцип Ле–Шателье). адсорбцию выгодно осуществлять при низких температурах.

 Абсорбция характеризуется малой энергией активации, т.е. малым энергетическим барьером, а следовательно, большой скоростью ее протекания.

Адсорбция - это самопроизвольный процесс повышения концентрации газообразных и растворенных веществ на границе раздела фаз, вызванный избытком свободной поверхностной энергии и сопровождающийся её; понижением за счет снижения  (S=const).

Концентрированно газов и растворенных веществ на границе раздела

происходит в результате притяжения (поглощения) молекул, атомов или ионов из окружающей среды поверхностью вещества, обладающей нескомпенсированным силовым полем. Вещество, способное поглощать (адсорбировать) на своей поверхности другое вещество, называется адсорбентом, а вещество, которое поглощается - адсорбтивом.

В некоторых случаях молекулы поглощенного газа диффундируют

вглубь поглотителя и распределяются по всему объему. Такой процесс называется абсорбцией. Адсорбция и абсорбция объединяются общим понятием сорбции. Адсорбция - это поверхностная сорбция, абсорбция - объемная сорбция. К сорбции относят и капиллярную конденсацию, заключающуюся в поглощении твердыми пористыми адсорбентами, газов и паров и конденсации их в порах.

В нефтепромысловой практике имеют место все сорбционные процессы, но наибольшее значение имеет адсорбция.

Адсорбционные явления имеют большое значение для технологии промывки и цементирования скважин. Твердая фаза буровых и тампонирующих растворов является хорошим адсорбентом. В качестве адсорбтивов выступают химические реагенты, вводимые в состав буровых и тампонирующих растворов для регулирования их технологических свойств.

Для адсорбции характерны следующие свойства:

1) термодинамическая обратимость, т.е. динамическое равновесие двух противоположных процессов - адсорбции и десорбции:

адсорбция десорбция

Десорбцией называют обратимый процесс перехода вещества из поверхностного слоя в объемную фазу;

2) экзотермичность процесса вследствие самопроизвольного взаимодействия между частицами адсорбента и адсорбтива;

3) малая энергия активации, а, следовательно, большая скорость

протекания адсорбции.

Количественно величина адсорбции - r определяется избытком

адсорбтива в поверхностном слое по сравнению с его количеством в объеме фазы, отнесенным к единице площади поверхности адсорбента:

_{r } ^{C0  CP}

^S

, (13)

где С₀ и С_Р - начальная и равновесная концентрации адсорбтива, моль;

S - поверхность адсорбента, м².

Если адсорбентом является твердое пористое тело, общую поверхность которого определить невозможно, то адсорбцию a относят к единице массы

_{адсорбента m:}

_{a } ^{C0  CP}

^m

(14)

При установлении равновесия в системе количество адсорбированного вещества в поверхностном слое находится в определенной зависимости от концентрации или парциального давления этого компонента в объеме и от температуры.

Адсорбцию чаще всего характеризуют зависимостью величины адсорбции от концентрации (или парциального давления) адсорбтива при постоянной температуре:

r=f(C_p) или r=f(P_p) при Т=const

Эту зависимость называют изотермой адсорбции,

Адсорбция может идти на поверхностях раздела газ - раствор, жидкость - раствор, газ - твердое тело, раствор - твердое тело. Агрегатное состояние смежных фаз придает определенную специфику явлению адсорбции.