王 靜,李建敏,邰春磊,鄭 璇,郭天宇
(1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢 430100;2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院、江蘇省油氣儲運技術(shù)重點實驗室,江蘇常州 213016;3.中原油田物探研究院,河南濮陽 457000)
陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDS)和十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)可顯著降低氣液界面張力,減小氣液相間傳質(zhì)助力,增大氣液接觸面積及氣體在液相中的溶解度,故可加快氣體水合物生成速率。氣體水合物的生成包括氣體溶解、水合物成核、水合物生長三個階段。
十二烷基硫酸鈉:中國醫(yī)藥(集團)上海化學(xué)試劑公司;十二烷基苯磺酸鈉:實驗室自制。
實驗儀器:K11 全自動表面張力儀;HAKKE 恒溫水浴系統(tǒng);FA2004B 型電子天平。
(1)用精度為0.1 mg 的FA2004B 型電子天平稱取適量的表面活性劑SDS 及SDBS。
(2)配制濃度分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/L 的SDS和SDBS 溶液。
(3)在測量表面活性劑溶液表面張力之前,測得20 ℃的純水表面張力為72.0 mN/m,與標(biāo)準(zhǔn)值相同,說明由該實驗儀器所得數(shù)據(jù)具有較高的可信度。
(4)通過設(shè)置HAKKE 恒溫水浴系統(tǒng)將放置于K11全自動表面張力儀平臺上的SDS 和SDBS 溶液溫度調(diào)節(jié)至實驗設(shè)定的溫度,該實驗中溫度取2、4、6、8、10 ℃,并在實驗過程中維持該溫度。
(5)利用Wilhelmy 板法依次測量不同濃度的SDS和SDBS 溶液在一定溫度下的表面張力,待所有濃度溶液表面張力測完后,繼續(xù)測量其在另一溫度下的表面張力,并記錄數(shù)據(jù)。
2.1.1 不同溫度下十二烷基硫酸鈉溶液表面張力與濃度的關(guān)系 實驗研究了在溫度為2、4、6、8、10 ℃條件下,SDS 溶液的表面張力與濃度的關(guān)系(見圖1)。
圖1 不同溫度下SDS 溶液表面張力與濃度的關(guān)系
由圖1 可知,當(dāng)濃度在0.1~0.5 g/L 時,隨著SDS 溶液濃度的升高,其表面張力逐漸減??;當(dāng)濃度在0.5~0.9 g/L 時,隨著SDS 溶液濃度的升高,其表面張力逐漸增大。當(dāng)SDS 溶液濃度為500 mg/L 時,其表面張力取得最小值。
2.1.2 不同濃度下十二烷基硫酸鈉溶液表面張力與溫度的關(guān)系 實驗研究了在濃度為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/L 條件下,SDS 溶液表面張力與溫度的關(guān)系(見圖2)。
圖2 不同濃度下SDS 溶液表面張力與溫度的關(guān)系
由圖2 可知,在2~6 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),SDS 溶液表面張力減小速度較快,在6~10 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),SDS溶液表面張力減小緩慢。而在各溫度點,500 mg/L 的SDS 溶液表面張力始終低于其它濃度SDS 溶液的表面張力。
圖3 不同溫度下SDBS 溶液表面張力與濃度的關(guān)系
2.2.1 不同溫度下十二烷基苯磺酸鈉溶液表面張力與濃度的關(guān)系 實驗研究了在溫度為2、4、6、8、10 ℃條件下,SDBS 溶液的表面張力與濃度的關(guān)系(見圖3)。由圖3 可知,當(dāng)濃度在0.1~0.7 g/L 時,隨著SDBS溶液濃度的升高,其表面張力逐漸減小;當(dāng)濃度在0.7~0.9 g/L 時,隨著SDBS 溶液濃度的升高,其表面張力逐漸增大。當(dāng)SDBS 溶液濃度為0.7 g/L 時,其表面張力取得最小值。
2.2.2 不同濃度下十二烷基苯磺酸鈉溶液表面張力與溫度的關(guān)系 實驗研究了在濃度為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 g/L 條件下,SDBS 溶液表面張力與溫度的關(guān)系(見圖4)。由圖4 可知,對于0.5 g/L 的SDBS 溶液在2~4 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力減小,在4~8 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力增大,在8~10 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力減??;對于0.9 g/L 的SDBS 溶液在2~4 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力減小,在4~6 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力增大,在6~10 ℃區(qū)間內(nèi),隨著溫度的升高,SDBS 溶液表面張力減小。在溫度相同的條件下,濃度為0.7 g/L的SDBS 溶液表面張力始終低于其他濃度SDBS 的表面張力。
圖4 不同濃度下SDBS 溶液表面張力與溫度的關(guān)系
(1)表面活性劑SDS 和SDBS 均能顯著降低氣液界面的表面張力,提高水合物成核速率,縮短誘導(dǎo)時間。
(2)在2~10 ℃的溫度區(qū)間內(nèi),SDS 和SDBS 溶液表面張力均隨濃度的升高先減小后增大,且在低濃度下,溶液濃度變化對其表面張力影響更大。
(3)在0.1~0.9 g/L 的濃度范圍內(nèi),SDS 和SDBS 溶液表面張力均隨溫度的升高而逐漸減小,而SDBS 溶液表面張力減小幅度更小。
(4)在高濃度下,SDS 及SDBS 溶液表面張力隨濃度的升高而增大,并且有研究表明氣體水合物反應(yīng)體系中氣液界面處快速生成的水合物膜會阻礙氣液界面間的傳質(zhì)。所以,濃度過高的表面活性劑SDS 和SDBS并不利于氣體水合物的快速生成。
(5)在2~10 ℃溫度區(qū)間內(nèi),SDS 及SDBS 溶液促進水合物生成的最佳濃度分別為500 mg/L 和700 mg/L,此時其表面張力取得最小值。
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