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.長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100；2.常州大學石油工程學院、江蘇省油氣儲運技術重點實驗室，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：中國醫藥（集團）上海化學試劑公司；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；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，與標準值相同，說明由該實驗儀器所得數據具有較高的可信度。

（4）通過設置HAKKE 恒溫水浴系統將放置于K11全自動表面張力儀平臺上的SDS 和SDBS 溶液溫度調節至實驗設定的溫度，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，繼續測量其在另一溫度下的表面張力，并記錄數據。

2 實驗結果分析

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系（見圖1）。

圖1 不同溫度下SDS 溶液表面張力與濃度的關系

由圖1 可知，當濃度在0.1～0.5 g/L 時，隨著SDS 溶液濃度的升高，其表面張力逐漸減小；當濃度在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系（見圖2）。

圖2 不同濃度下SDS 溶液表面張力與溫度的關系

由圖2 可知，在2～6 ℃的溫度區間內，SDS 溶液表面張力減小速度較快，在6～10 ℃的溫度區間內，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系（見圖3）。由圖3 可知，當濃度在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系（見圖4）。由圖4 可知，對于0.5 g/L 的SDBS 溶液在2～4 ℃區間內，隨著溫度的升高，SDBS 溶液表面張力減小，在4～8 ℃區間內，隨著溫度的升高，SDBS 溶液表面張力增大，在8～10 ℃區間內，隨著溫度的升高，SDBS 溶液表面張力減小；對于0.9 g/L 的SDBS 溶液在2～4 ℃區間內，隨著溫度的升高，SDBS 溶液表面張力減小，在4～6 ℃區間內，隨著溫度的升高，SDBS 溶液表面張力增大，在6～10 ℃區間內，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系

3 結論

（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，縮短誘導時間。

（2）在2～10 ℃的溫度區間內，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，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。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 ℃溫度區間內，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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