POVERKhNOSTNOE_NATYaZhENIE

11

Уравнение (11) было получено для адсорбции газов на поверхности твёрдых тел, и носит название уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра.

Совместный анализ уравнений Гиббса и Ленгмюра позволяет установить физический смысл констант «a» и «b» в уравнении Шишковского.

Константа «a» = Г∞RT характеризует предельно возможную адсорбцию ПАВ на поверхности. Константа «b» характеризует адсорбционную способность вещества при малых концентрациях раствора. Например, в гомологическом ряду спиртов или алифатических кислот при переходе от одного члена гомологического ряда к другому «b» возрастает в 3-3,5 раза в соответствии с правилом Траубе.

1.7. Поверхностно-активные вещества нефти

Нефть является многокомпонентной смесью углеводородов различного строения с различной молекулярной массой. Основную часть нефти составляют углеводороды метанового СnНn+2, нафтенового CnH2n или ароматического ряда C6H5СnНn+1, молекулы которых образованы только атомами водорода и углерода, поэтому они неполярны. Однако нефти содержат и другие вещества, в состав которых, кроме водорода и углерода, входят кислород, сера, азот.

Молекулы этих соединений обладают значительной полярностью, способны концентрироваться на поверхностях раздела фаз и относятся к поверхностно-активным веществам. Наибольшее влияние на поверхностные свойства нефтей оказывают нафтеновые кислоты CnH2n-1−(СН2)m−СООН, алифатические кислоты СnН2n+1СООН и асфальтосмолистые вещества. Молекулы нафтеновых, а также алифатических кислот состоят из неполярной части − углеводородного

Молекулы нафтеновых, а также алифатических кислот состоят из неполярной части − углеводородного радикала и полярной части − карбоксильной группы, что обусловливает их способность адсорбироваться на границах раздела фаз (нефть − вода, нефть − нефтевмещающая порода).

Нафтеновые кислоты, выделенные из нефтей, представляют собой маслообразные жидкости, мало растворимые в воде, но хорошо растворимые в нефтях и нефтяных фракциях. Натриевые соли нафтеновых кислот мало растворимы в нефтях, но хорошо растворимы в воде. Соли нафтеновых кислот более полярны, чем сами кислоты, и поэтому более поверхностно-активны.

К группе асфальтосмолистых веществ нефти относятся асфальтены, смолы, асфальтогеновые кислоты, карбены, карбоиды. Сами асфальтены и смолы обладают слабой поверхностной активностью, однако адсорбируются на границах раздела фаз, что обусловлено наличием в них металлопорфириновых комплексов. Присутствие их в смолистой части нефтей в незначительных количествах индуцирует, благодаря своей высокой поверхностной активности, адсорбцию смол и асфальтенов на границе раздела фаз.

Породы нефтегазоносных коллекторов имеют огромную удельную поверхность (порядка 105 м2/м3). Вся эта поверхность контактирует с

12

насыщающими пласт веществами - водой, нефтью, газом. Поэтому на многие процессы происходящие в нефтяных пластах большое влияние оказывают поверхностные явления, возникающие в месте соприкосновения различных фаз. Для понимания и умения управлять этими процессами необходимо знать закономерности, которым подчиняются поверхностные явления. Один из способов управления этими процессами - применение ПАВ. В бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин ПАВ применяются очень широко и с разными целями: для увеличения нефтеотдачи коллекторов, вскрытия пластов, предотвращения обвалов при бурении скважин, улучшения условий освоения нефтяных и нагнетательных скважин, повышения их продуктивности и приемистости и т.д.

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Цель работы: 1. Изучить зависимость поверхностного натяжения на границе раствор – газ от концентрации растворенного вещества.

2.Проверить, как выполняется уравнение Шишковского.

3.Вычислить площадь и длину молекулы ПАВ.

2.1Определение поверхностного натяжения по методу

максимального давления в пузырьке.

Существует ряд методов определения поверхностного натяжения на границе жидкость – газ: метод капиллярного поднятия; метод максимального давления в пузырьке; метод отрыва кольца от поверхности жидкости; сталагмометрический метод.

В методе максимального давления в пузырьке, разработанном академиком П.А. Ребиндером, поверхностное натяжение определяется по величине давления, при котором происходит отрыв пузырька воздуха, выдуваемого в жидкость, через капилляр. Так как поверхностное натяжение есть работа образования или разрушения единицы поверхности, то усилие, затраченное на разрыв пленки пузырька, будет пропорционально поверхностному натяжению.

Рис. 5. Схема прибора Ребиндера. 1-сосуд с исследуемой жидкостью; 2 – капилляр; 3 – аспиратор; 4 – манометр.

Схема прибора Ребиндера показана на рис.5. В сосуд 1 наливается испытуемая жидкость в таком количестве, чтобы кончик капилляра 2 слегка касался поверхности. Для создания разряжения в

сосуде 1 применяется водный аспиратор 3. Разряжение достигается сливанием

13

воды через нижний кран аспиратора. За счет разности давлений в капилляре (атмосферное) и в сосуде 1 образуется пузырек воздуха. В момент отрыва пузырька его поверхность максимальна, а величина разряжения измеряемая разностью уровней жидкого манометра 4, пропорциональная поверхностному натяжению

Здесь k – константа, характеризующая данный капилляр;

Р – наибольшее (максимальное) давление в момент проскакивания пузырька, пропорциональное разности уровней жидкости в манометре ( в мм водяного столба).

Константу ”k” легко вычислить, если экспериментально определить максимальное давление Р0 для стандартной жидкости, поверхностное натяжение σ0 которой известно и равно σ0 = k×Р0. Откуда k = σ0 / P0.

Вкачестве стандартной жидкости можно взять дистиллированную воду, поверхностное натяжение которой хорошо изучено при различных температурах (см. приложение).

2.2.Проведение исследований

Вработе требуется изучить, как влияет концентрация ПАВ на величину поверхностного натяжения раствора, найти константы «a» и «b» в уравнении (8), рассчитать адсорбцию ПАВ на границе вода-воздух, определить площадь, приходящую на одну молекулу ПАВ в насыщенном слое, и длину молекулы ПАВ.

Получают у преподавателя или лаборанта раствор ПАВ с известной концентрацией с = 2 моль/литр (2М).

Всосуд наливают пипеткой 20 мл раствора, открывают нижний кран аспиратора 3 и регулируют скорость образования пузырьков.

Важно установить правильный режим образования пузырьков, т.к. от этого зависит точность получаемых результатов. Нельзя допускать очень быстрого их возникновения. Скорость проскакивания пузырьков газа через капилляр должна быть равна примерно 1–2 пузырька за 10 – 20 секунд.

После этого замеряют максимальную разность уровней жидкости в манометре, то есть максимальное давление, которое соответствует медленному

иравномерному проскакиванию пузырьков газа через капилляр. Измерения повторяют не менее трёх раз; расхождение между параллельными измерениями не должны превышать 1-2 мм. Затем пипеткой отбирают из сосуда (1) V = 10 мл раствора и добавляют V = 10 мл дистиллированной воды (тоже пипеткой). После разбавления концентрация раствора будет равна 1 моль/л. Снова на

14

приборе Ребиндера измеряют (три раза) максимальное давление пузырька для полученного раствора. Повторяют разбавление не менее 4-х раз и в каждом случае находят среднее значение максимального давления.

Для определения постоянной "k" в уравнении (11) в сосуд 1 (после ополаскивания) наливают V = 20 мл дистиллированной воды и определяют Р0. Все измерения проводят при постоянной температуре. По формуле (13) или (14) вычисляют поверхностное натяжение растворов. Результаты измерений и вычислений записывают в лабораторном журнале в виде таблицы 1.

Дальнейшую обработку результатов эксперимента проводят в следующей последовательности.

1.По данным таблицы 1 строят первый график – изотерму поверхностного натяжения (зависимость σ от концентрации ПАВ).

2.Находят коэффициенты в уравнении Шишковского (8). Для этого произвольно берут на кривой некоторое (ближе к концу) значение

поверхностного натяжения–"σ2" и, разделив отрезок (σ0 – σ2) пополам, определяют значения σ1. Таким образом, разности (σ0 - σ1) и (σ0 - σ2) с будут отличаться между собой ровно в два раза: (σ0 – σ2) = 2(σ0 – σ1).

По графику находят концентрации с1 и с2, соответствующие значениям σ1

и σ2.

В результате получается следующая система уравнений с двумя неизвестными "а" и "b":

Решая эту систему уравнений, получают:

17

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1.Поверхностная энергия и поверхностное натяжение……………………..3

1.2.Факторы, от которых зависит поверхностное натяжение…………………4

1.3.Поверхностное натяжение растворов………………………………………5

1.4.Адсорбция на границе жидкость – газ……………………………………..6

1.5.Влияние на адсорбцию строения и размера молекул ПАВ……………….9

1.6.Уравнения Шишковского и Ленгмюра……………………………………10

1.7.Поверхностно-активные вещества нефти…………………………………11

2.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

2.1Определение поверхностного натяжения по методу максимального давления в пузырьке………………………………………12

2.2Проведение исследований …………………………………………...13

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ…..……………………………………………15

4. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.……………………………………….16

5. ПРИЛОЖЕНИЕ..…………………………………………………………… 16

18

19

20