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新型添加劑濃度對(duì)水合物溶液的表面張力的影響
來(lái)源: 瀏覽 624 次 發(fā)布時(shí)間:2023-11-28
利用水合物獨(dú)特的物化性質(zhì),如儲(chǔ)氣密度高、生成產(chǎn)生相變且相變溫度高、傳熱系數(shù)低等,可以開(kāi)發(fā)一系列高新應(yīng)用技術(shù)。水合物的研究領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大,已從最初石油與天然氣工業(yè)中的水合物形成預(yù)測(cè)與防治擴(kuò)展到化工、能源和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。對(duì)水合物的基礎(chǔ)性研究已非常必要,人們采用和提出了各種不同的方法和措施來(lái)增加水合物儲(chǔ)氣量,降低相平衡點(diǎn),縮短誘導(dǎo)時(shí)間,加速水合物的生成。通過(guò)實(shí)驗(yàn)添加新型添加劑降低水合物溶液的表面張力,從而降低水合物的生成條件,促進(jìn)水合物的生成,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。
1、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法
實(shí)驗(yàn)裝置采用芬蘭Kibron生產(chǎn)的QBZY-1型全自動(dòng)表面張力儀,此表面張力儀采用Wilhelmy盤(pán)法測(cè)定溶液表面張力。當(dāng)感測(cè)鉑板浸入被測(cè)液體后,鉑板周?chē)艿奖砻鎻埩Φ淖饔?,液體的表面張力將鉑板往下拉。當(dāng)液體表面張力及其它相關(guān)力與平衡力達(dá)到均衡時(shí),感測(cè)鉑板停止向液體內(nèi)部浸入,此時(shí)儀器的平衡感應(yīng)器將測(cè)量浸入液體的深度,并將其轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。
圖1為表面張力儀工作系統(tǒng)示意圖。硬件方面主要包括樣品臺(tái)、升降系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)力系統(tǒng)和微處理器。軟件方面由控制、分析專(zhuān)用軟件經(jīng)過(guò)微處理器的一系列運(yùn)算,將檢測(cè)到的微力轉(zhuǎn)化成表面張力值。由LCD數(shù)字顯示屏實(shí)時(shí)輸出表面張力值,如果需要,可通過(guò)RS232接口連接打印機(jī),打印數(shù)據(jù)或經(jīng)計(jì)算機(jī)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便,準(zhǔn)確性高。
圖1表面張力儀系統(tǒng)示意圖
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1濃度對(duì)表面張力的影響
圖2為3、5、7、10、12℃下,陰離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖2可知,CTAB是比較優(yōu)良的表面活性劑,在低濃度下就能夠顯著降低溶液表面張力,在300 mg/kg-1時(shí)表面張力達(dá)到最低值,之后隨濃度增大,表面張力變化不大,因此CTAB的臨界膠束濃度CMC即在此濃度范圍附近。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),當(dāng)CTAB溶液達(dá)到CMC以后,表面張力值在14.5~23.5 mN/m之間。隨溫度變化,表面張力值相差較大。
圖2不同溫度下CTAB溶液表面張力隨濃度的變化
圖3為3、5、7、10、12℃下,非離子型表面活性劑P123溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖3可知,P123在低濃度下就能夠顯著降低溶液表面張力,在400 mg/kg時(shí)表面張力達(dá)到最低值,之后隨濃度增大,表面張力變化不大,因此CTAB的臨界膠束濃度CMC即在此濃度范圍附近。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),當(dāng)P123溶液達(dá)到CMC以后,表面張力值在40.5~45.5 mN/m之間。隨溫度變化,表面張力值相差較大。
圖4為3、5、7、10、12℃下,本實(shí)驗(yàn)自行合成的離子液體[HMIPS]Ss溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖4可知,該離子液體溶液不具有明顯的表面活性,不能顯著降低溶液表面張力。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),表面張力值在73.6~74.8 mN/m之間。隨溫度變化,表面張力值相差很小。
圖3不同溫度下P123溶液表面張力隨濃度的變化
圖4不同溫度下[HMIPS]Ss溶液表面張力隨濃度的變化
2.2溫度對(duì)表面張力的影響
圖5不同濃度的CTAB溶液表面張力隨溫度的變化
圖5為100、200、300、500、700、900 mg/kg濃度下,陰離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。由圖5可知,300 mg/kg溶液的表面張力曲線最低,說(shuō)明該濃度的溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),隨溫度升高表面張力變化較大,整體上表面張力曲線呈波浪狀,出現(xiàn)拐點(diǎn)。6條曲線在3℃時(shí)均出現(xiàn)最低表面張力值,在5℃附近均出現(xiàn)波峰;100、500和900 mg/kg溶液在7℃附近時(shí)出現(xiàn)波谷,10℃附近再次出現(xiàn)波峰;200、300和700 mg/kg溶液在10℃附近出現(xiàn)波谷。
圖6為100、200、300、500、700、900 mg/kg濃度下,非離子表面活性劑P123溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。由圖6可知,隨濃度增大,溶液降低表面張力的能力逐漸增大,但各個(gè)濃度曲線差值不大,900 mg/kg濃度溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),整體上表面張力曲線幾乎呈直線狀,遵循隨溫度升高而表面張力降低的一般規(guī)律,斜率幾乎不變,未出現(xiàn)拐點(diǎn),且相差較大,同一條曲線3℃和12℃表面張力值相差4.2~4.6 mN/m。
圖6不同濃度的P123溶液表面張力隨溫度的變化
圖7為100、300、500、700、900、1 200 mg/kg濃度下,本實(shí)驗(yàn)自行合成的離子液體[HMIPS]Ss溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。在低溫區(qū)間內(nèi)300 mg/kg溶液的表面張力曲線最低,說(shuō)明該濃度的溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi),整體上表面張力曲線遵循隨溫度升高而表面張力降低的一般規(guī)律,但相差不大,同一條曲線3℃和12℃表面張力值相差0.9~1.1 mN/m。
比較以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),其中降低水合物溶液表面張力效果最好的為300 mg/kg CTAB,然后依次為500 mg/kg P123、300 mg/kg[HMIPS]Ss。對(duì)于同一種添加劑,其降低溶液表面張力的能力受到濃度以及溫度的影響,而其溶液降低水合物生成相平衡條件的最佳濃度與同一溫度區(qū)間內(nèi)降低自身表面張力效果最顯著的濃度相一致,即一種促進(jìn)劑溶液,在某濃度及溫度下表面張力愈小,降低水合物生成條件愈顯著。
圖7不同濃度的[HMIPS]Ss溶液表面張力隨溫度的變化
3、結(jié)論
水合物促進(jìn)技術(shù)的研究目前尚未深入,重點(diǎn)在于新型添加劑的開(kāi)發(fā),通過(guò)研究CTAB、P123、[HMIPS]Ss這幾種新型添加劑在不同濃度和溫度下對(duì)水合物溶液表面張力的影響,找到改善水合物生成條件的辦法,即降低溶液表面張力從而降低水合物的生成條件,為今后水合物促進(jìn)技術(shù)的研究提供了理論和數(shù)據(jù)支持。另外,應(yīng)該了解化學(xué)添加劑特殊的分子結(jié)構(gòu)對(duì)水合物生成的影響,有針對(duì)性地合成新型的水合物生成促進(jìn)劑。例如合成以HMIPS基團(tuán)為前體的十二烷基苯磺酸鹽([HMIPS]SDBS),使之同時(shí)具有離子液體和表面活性劑的作用機(jī)理,相信會(huì)比單一添加劑的促進(jìn)效果更加優(yōu)良。