三头基双链季铵盐表面活性剂在固液界面的吸附性能研究

在油田开发中，注入到地层中的表面活性剂，会与地层中的各种介质(如砂岩)接触，发生物理和化学反应而造成一定量的损耗。表面活性剂在砂岩表面的吸附滞留损失以及由稀释作用引起的浓度降低等现象，直接影响着表面活性剂的用量与性能。因此，研究表面活性剂的静态吸附特征和吸附规律是非常必要的[1,2]。

随着Gemini表面活性剂在国内外的报道逐渐增多，多季铵盐Gemini表面活性剂的研究也开始引起人们的重视[3,4]。作者在合成双季铵盐BQAS[5]并分析其吸附性能[6]的基础上，合成了新型的三头基双链季铵盐表面活性剂BDT。在此，研究了BDT在砂岩表面的静态吸附性能。

1 实验

1.1 材料和试剂

某油田细砂(45～75目)。

三头基双链季铵盐表面活性剂BDT，自行合成；十二烷基硫酸钠(SDS)、二氯乙烷、碳酸钠、氯化钠，均为分析纯；溴酚蓝(指示剂)。

1.2 方法

在液固比为50∶1条件下，配制一定浓度的三头基双链季铵盐BDT溶液，与净砂混合，装于250 mL的具塞锥形瓶中，密封后置于振荡器中。振荡一定时间后过滤，采用溴酚蓝分相逆滴定法[7,8]测定溶液中BDT的浓度，根据初始浓度和吸附后浓度的差值计算BDT在砂岩表面的吸附量。

2 结果与讨论

2.1 吸附时间对吸附量的影响

在20℃、液固比为50∶1、BDT浓度为1×10-3mol·L-1条件下，充分振荡不同时间，测定BDT溶液在砂岩表面吸附后的浓度，结果如图1所示。

图1 表面活性剂BDT在砂岩表面吸附后浓度随吸附时间的变化

图1表明，在BDT初始浓度和液固比一定的情况下，BDT溶液在砂岩表面吸附后的浓度随吸附时间的延长而减小，即吸附量随吸附时间的延长而增大。当吸附时间大于150 min时，吸附后的BDT浓度基本不变，此时吸附已达平衡。因此，后续实验以3 h作为吸附研究的平衡时间。

2.2 BDT浓度对吸附量的影响

在20℃、液固比为50∶1的条件下，配制不同浓度的BDT溶液，吸附3 h后，分别测定不同浓度下BDT的吸附量，结果如图2所示。

图2 吸附等温线

通常长链表面活性剂分子间侧向相互吸引，使吸附等温线的斜率变得更陡，等温线容易呈S形或台阶形。图2所示的吸附等温线，在吸附趋于平衡前，吸附曲线出现2次台阶形。因此，可以分为二个区域解释。

当BDT浓度在0～0.4 mmol·L-1范围时，BDT通过离子交换及离子对形成而吸附在砂岩表面，吸附量显著增加，砂岩表面被直立的单层分子所覆盖，达到单分子层饱和吸附状态，这一区域符合Langmuir吸附等温式。

当BDT浓度大于0.4 mmol·L-1时，随着BDT浓度的不断增加，溶液中的表面活性剂分子仍有向固体表面运移的趋势，这些分子与吸附在砂岩表面的分子相互吸引，从而形成双层吸附，吸附量迅速增加；当BDT浓度大于0.7 mmol·L-1时，砂岩表面的BDT达到双层饱和吸附，吸附量几乎不再增加。这一层分子的吸附同样符合Langmuir吸附等温式。

2.3 单分子层的饱和吸附量

在图2中，当BDT浓度在0～0.4 mmol·L-1、温度一定时，固体自溶液中的吸附通常可用Langmuir公式描述：

(1)

式中：c为吸附平衡时的浓度，mol·L-1；Γ为与平衡浓度相应的吸附量，mol·g-1；Γ∞为单分子层的饱和吸附量，即吸附剂上吸附了单分子层溶质时的吸附量，mol·g-1；b为常数(对于一定系统)。

Langmuir公式也可以写成下列形式：

(2)

以c/Γ对c作图，得一直线，如图3所示，由直线的斜率和截距可以求得Γ∞和b。拟合线性方程为y=222.81x+17.837，相关系数R2=0.9954。

图3 根据Langmuir直线方程处理单分子层吸附

根据图3中直线的斜率和截距，求出单分子层的饱和吸附量Γ∞=4.49×10-6mol·g-1。

2.4 第二层分子的饱和吸附量

图4 根据Langmuir直线方程处理第二层吸附

3 结论

(1)在液固比一定时，研究了三头基双链季铵盐表面活性剂BDT在砂岩(45～75目)表面的吸附性能，考察了吸附时间、浓度对静态吸附量的影响。BDT在砂岩表面吸附的最低平衡时间为150 min。

(2)三头基双链季铵盐表面活性剂BDT在固液界面的吸附可分两个区域解释。

当BDT浓度在0～0.4 mmol·L-1范围时，BDT通过离子交换及离子对形成而吸附在砂岩表面；当BDT浓度为0.4 mmol·L-1时，达到单分子层饱和吸附状态，符合Langmuir吸附等温式。求得BDT在砂岩表面的单层饱和吸附量Γ∞为4.49×10-6mol·g-1。

(3)三头基双链季铵盐表面活性剂BDT双层分子的总饱和吸附量为7.32×10-6mol·g-1。

参考文献：

[1] 周雅萍,赵丽辉,王希芹，等.化学驱油体系中各组分在油砂表面上静态吸附特征研究[J].化学工程师,2009,(2):63-67.

[2] 苑慧莹.表面活性剂在油砂表面的吸附滞留性研究进展[J].内蒙古石油化工,2007,33(3):196-198.

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[6] 赖璐,梅平,李逹.双季铵盐型表面活性剂的吸附特性研究[J].长江大学学报(理工卷),2006,3(3):38-40.

[7] 钟雷,丁悠丹.表面活性剂及其助剂分析[M].杭州:浙江科学技术出版社,1985:103-123.

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