三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑在固液界面的吸附性能研究

在油田開發中，注入到地層中的表面活性劑，會與地層中的各種介質(如砂巖)接觸，發生物理和化學反應而造成一定量的損耗。表面活性劑在砂巖表面的吸附滯留損失以及由稀釋作用引起的濃度降低等現象，直接影響著表面活性劑的用量與性能。因此，研究表面活性劑的靜態吸附特征和吸附規律是非常必要的[1,2]。

隨著Gemini表面活性劑在國內外的報道逐漸增多，多季銨鹽Gemini表面活性劑的研究也開始引起人們的重視[3,4]。作者在合成雙季銨鹽BQAS[5]并分析其吸附性能[6]的基礎上，合成了新型的三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑BDT。在此，研究了BDT在砂巖表面的靜態吸附性能。

1 實驗

1.1 材料和試劑

某油田細砂(45～75目)。

三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑BDT，自行合成；十二烷基硫酸鈉(SDS)、二氯乙烷、碳酸鈉、氯化鈉，均為分析純；溴酚藍(指示劑)。

1.2 方法

在液固比為50∶1條件下，配制一定濃度的三頭基雙鏈季銨鹽BDT溶液，與凈砂混合，裝于250 mL的具塞錐形瓶中，密封后置于振蕩器中。振蕩一定時間后過濾，采用溴酚藍分相逆滴定法[7,8]測定溶液中BDT的濃度，根據初始濃度和吸附后濃度的差值計算BDT在砂巖表面的吸附量。

2 結果與討論

2.1 吸附時間對吸附量的影響

在20℃、液固比為50∶1、BDT濃度為1×10-3mol·L-1條件下，充分振蕩不同時間，測定BDT溶液在砂巖表面吸附后的濃度，結果如圖1所示。

圖1 表面活性劑BDT在砂巖表面吸附后濃度隨吸附時間的變化

圖1表明，在BDT初始濃度和液固比一定的情況下，BDT溶液在砂巖表面吸附后的濃度隨吸附時間的延長而減小，即吸附量隨吸附時間的延長而增大。當吸附時間大于150 min時，吸附后的BDT濃度基本不變，此時吸附已達平衡。因此，后續實驗以3 h作為吸附研究的平衡時間。

2.2 BDT濃度對吸附量的影響

在20℃、液固比為50∶1的條件下，配制不同濃度的BDT溶液，吸附3 h后，分別測定不同濃度下BDT的吸附量，結果如圖2所示。

圖2 吸附等溫線

通常長鏈表面活性劑分子間側向相互吸引，使吸附等溫線的斜率變得更陡，等溫線容易呈S形或臺階形。圖2所示的吸附等溫線，在吸附趨于平衡前，吸附曲線出現2次臺階形。因此，可以分為二個區域解釋。

當BDT濃度在0～0.4 mmol·L-1范圍時，BDT通過離子交換及離子對形成而吸附在砂巖表面，吸附量顯著增加，砂巖表面被直立的單層分子所覆蓋，達到單分子層飽和吸附狀態，這一區域符合Langmuir吸附等溫式。

當BDT濃度大于0.4 mmol·L-1時，隨著BDT濃度的不斷增加，溶液中的表面活性劑分子仍有向固體表面運移的趨勢，這些分子與吸附在砂巖表面的分子相互吸引，從而形成雙層吸附，吸附量迅速增加；當BDT濃度大于0.7 mmol·L-1時，砂巖表面的BDT達到雙層飽和吸附，吸附量幾乎不再增加。這一層分子的吸附同樣符合Langmuir吸附等溫式。

2.3 單分子層的飽和吸附量

在圖2中，當BDT濃度在0～0.4 mmol·L-1、溫度一定時，固體自溶液中的吸附通常可用Langmuir公式描述：

(1)

式中：c為吸附平衡時的濃度，mol·L-1；Γ為與平衡濃度相應的吸附量，mol·g-1；?！逓閱畏肿訉拥娘柡臀搅?，即吸附劑上吸附了單分子層溶質時的吸附量，mol·g-1；b為常數(對于一定系統)。

Langmuir公式也可以寫成下列形式：

(2)

以c/Γ對c作圖，得一直線，如圖3所示，由直線的斜率和截距可以求得?！藓蚥。擬合線性方程為y=222.81x+17.837，相關系數R2=0.9954。

圖3 根據Langmuir直線方程處理單分子層吸附

根據圖3中直線的斜率和截距，求出單分子層的飽和吸附量Γ∞=4.49×10-6mol·g-1。

2.4 第二層分子的飽和吸附量

圖4 根據Langmuir直線方程處理第二層吸附

3 結論

(1)在液固比一定時，研究了三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑BDT在砂巖(45～75目)表面的吸附性能，考察了吸附時間、濃度對靜態吸附量的影響。BDT在砂巖表面吸附的最低平衡時間為150 min。

(2)三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑BDT在固液界面的吸附可分兩個區域解釋。

當BDT濃度在0～0.4 mmol·L-1范圍時，BDT通過離子交換及離子對形成而吸附在砂巖表面；當BDT濃度為0.4 mmol·L-1時，達到單分子層飽和吸附狀態，符合Langmuir吸附等溫式。求得BDT在砂巖表面的單層飽和吸附量?！逓?.49×10-6mol·g-1。

(3)三頭基雙鏈季銨鹽表面活性劑BDT雙層分子的總飽和吸附量為7.32×10-6mol·g-1。

參考文獻：

[1] 周雅萍,趙麗輝,王希芹，等.化學驅油體系中各組分在油砂表面上靜態吸附特征研究[J].化學工程師,2009,(2):63-67.

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