低溫下水合物促進劑SDS 及SDBS溶液表面張力研究

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。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

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。

1.2 實驗步驟

（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 實驗結(jié)果分析

2.1 十二烷基硫酸鈉溶液表面張力

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。

2.2 十二烷基苯磺酸鈉溶液表面張力

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

3 結(jié)論

（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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