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1、第一章 表 面 活 性 剂,第一节 表面活性剂的定义、分类,定义,某些物质当它们以低浓度存在于一体系中时，可吸附在该体系的表面（界面）上，使这些表面（界面）的表面（界面）自由能发生明显降低的现象，这些物质被称为表面活性剂（Surface-active agent, or surfactant)。它是由具有亲水性的极性基团和具有憎水性的非极性基团所组成的有机化合物。,定义,表面活性剂的分子结构,分类,按化学结构分： 当表面活性剂溶于水时，凡能电离生成离子的-离子型表面活性剂（分为阳离子、阴离子、两性离子表面活性剂）。 凡在水中不电离的-非离子型表面活性剂。,分类,分类,分类,分类,两性表面活性剂
2、如甜菜碱型两性表面活性剂,分类,第二节 表面活性剂的性质和作用,溶液界面吸附,溶液的表面张力 水的表面张力因加入溶质形成溶液而改变。有些溶质加入后能使溶液的表面张力降低，另一些溶质加入后却使溶液的表面张力升高。,溶液界面吸附,胶束与临界胶束浓度（CMC）,胶束就是表面活性剂分子的聚集体或缔合体或结合体； 临界胶束浓度就是表面活性剂在溶液中开始明显形成胶束的浓度，以CMC（ critical micelle concentration ）表示。,胶束与临界胶束浓度（CMC）,表面活性剂浓度越大，则形成的胶束越多；溶液中存在单个表面活性剂离子(或分子)与胶束之间的动平衡。形成胶束的原因是活性剂分子
3、的两亲性，即存在着亲水基团和亲油基团。,胶束与临界胶束浓度（CMC）,临界胶束浓度CMC不是一个固定的数值，而是一个范围。活性剂浓度达到CMC 时，溶液的各项性质有个突变，去污力、电导率增加很快，表面张力、界面张力降低很明显，增溶性大大加强。表面活性剂的CMC一般都很低，在0.02-0.4左右。使用表面活性剂时，浓度一般要比临界胶束浓度稍大，否则其性能不能充分发挥。,加（增）溶作用（Solubilization）,非极性的碳氢化合物如苯等不能溶解于水，却能溶解于浓的肥皂溶液，或者说溶解于浓度大于CMC，且已经大量生成胶束(或称胶团)时的离子型表面活性剂溶液，这种现象叫加溶作用。,加（增）溶作用
4、（Solubilization）,加（增）溶作用的特点： 加（增）溶作用可以使被溶物的化学势大大降低，使整个体系更加稳定； 加（增）溶作用是一个可逆的平衡过程； 加（增）溶作用与真正的溶解作用也不相同。加（增）溶作用过程中溶质并未拆开成分子或离子，而是“整团”溶解在肥皂溶液中。,润湿反转作用,润湿反转作用就是活性剂使固体表面的润湿性向相反方面转化的作用。能使固体表面的润湿性发生反转的活性剂叫润湿剂。润湿反转作用是由于润湿剂在固体表面上的吸附产生的。一般来说砂岩表面是亲水表面(即水对砂岩表面的润湿角9 0)当它与原油接触时，原油中的天然活性剂就会吸附到砂岩表面上来，并按极性相近规则排到砂岩表面。
5、砂岩表面即由亲水表面反转成为亲油表面，如下图。,润湿反转作用,乳化（破乳）作用,乳化作用就是使两种互不相溶的液体形成乳状液，并具有一定稳定性的作用。乳状液的直径一般为0.1100 。乳状液可分两类：油包水型(WO)为水分散在油中形成的分散体系，如含水原油；水包油型(OW)为油分散在水中所形成的分散体系，如含油污水。具有能使乳状液生成的活性剂叫乳化剂，反之，具有破坏乳状液作用的活性剂叫破乳剂。乳化剂的乳化作用也是由于活性剂在液一液界面上的吸附引起的，如下图。,乳化（破乳）作用,起泡作用,泡沫是气体分散在液体中的分散体系(也有气体分散在固体中的分散体系，如泡沫塑料、泡沫混凝土等)。 起泡作用是使泡
6、沫易于严生，并具有一定稳定性的作用，具有起泡作用的活性剂叫起泡剂。起泡作用也是由于活性剂在气一液界面上的吸附形成活性剂的薄膜，并使表面张力大大下降，从而增加了气、液的接触面，使泡沫易于产生，加之活性剂吸附产生了一定强度的保护膜，可以防止气体合并变大，因此具有一定稳泡性，为使泡沫更加稳定，常加稳泡剂。,第三节 表面活性剂化学结构和性质的关系,表面活性剂化学结构和性质的关系,表面活性剂都是由亲水基和亲油基组成。由于亲水基有阴离子、阳离子、非离子、两性等不同种类，故其性质也不同。从亲水基的种类、HLB值、分子结构、分子量等全面综合来考察结构和性质的关系是很重要的，如下图。,表面活性剂化学结构和性质的
7、关系,表面活性剂的亲水性,HLB值(Hydrophile Lipophile Balance)即亲水亲油平衡值 由美国Atlas研究所在实验基础上创立的亲水亲油平衡值用来表示活性剂的亲水性大小。HLB值越大，表示亲水性越强，HLB值越小，亲油性越强。,表面活性剂的亲水性,HLB值的计算 基数法：适用于阴离子及一些非离子活性剂。基数法是从多种乳化剂总结出各基团的特点，用一定的数值(基数)表示，即各基团对HLB值的贡献。 HLB=7+H- L 式中H-活性剂中亲水基基数的总和。 L-活性剂中亲油基基数的总和。,表面活性剂的亲水性,重量法：适用于计算聚氧乙烯型和多元醇型非离子表面活性剂的HLB值。
8、HLB=20(亲水基的分子量/活性剂分子量) 混合表面活性剂HLB的计算： HLB=(aWa+bWb+)/(Wa+Wb+ ),表面活性剂的亲水性,HLB值测定方法-乳化标准油实验法 （1）用标准活性剂配不同HLB值的混合活性剂，如下表：,表面活性剂的亲水性,（2）将配好的混合活性剂乳化一种油（煤油）成O/W乳状液，并把乳化最稳定的混合活性剂的HLB值称为这种乳化油所需的HLB值。一些油乳化所需HLB值如下表。,表面活性剂的亲水性,（3）将未知HLB值的活性剂与已知HLB值的活性剂配成不同比例的混合活性剂，将它们乳化已知HLB值要求的油，就可得到未知活性剂的HLB值。,表面活性剂的亲水性,表面活
9、性剂的HLB值与应用的关系 根据下表可依要求选用活性剂。,亲水基种类对表面活性剂性质的影响,根据HLB值测定的结果，可将各种亲水基的亲水性大小排列如下： 洗净作用和增溶作用都要求活性剂有较大亲水性，硫酸钠皂、铝皂都行。 消泡剂应采用HLB值较小的活性剂，上述次序说明，脂肪酸、醇、醚等可能有效，所以，聚醚和Tween是有效的消泡剂。,亲水基位置对表面活性剂性质的影响,亲水基位置在分子中间(亲油基链中间)的比在末端的润湿力(渗透力)强，亲水基在分子末端的比在中间的去污力好。如渗透剂OT(琥珀酸二异辛酯磺酸钠)润湿、渗透性很好，其分子结构式为：,亲水基位置对表面活性剂性质的影响,分子量相近的十八烯醇
10、硫酸酯钠盐亲水基在末端，润湿、渗透性能差，而去污力比OT强。 十五烷基硫酸钠亲水基位置在中间C8位置，该化合物润湿能力最好。 对有苯环的活性剂，亲水基在苯环上的位置决定其性能。亲水基在邻位的润湿性最好，间位次之，对位的(即在末端)最差。,亲油基种类对表面活性剂性质的影响,活性剂的亲油基结构，虽然一般皆为长链C-H，但也有各种结构，对活性剂的性质也有影响，可把亲油基分为以下几种： 1.脂肪族烃类：十二烷基(月桂基) C12H25、十八烯基C18H35 2.芳香族烃类：,亲油基种类对表面活性剂性质的影响,3.烷基芳香烃类： 4. 环烷基：环烷酸皂中的环烷基、松香皂中的烃基。 5.亲油基中含有弱亲水
11、基：蓖麻油酸（一个OH基）、油酸丁酯（COO基）、聚氧丙烯（O醚键）,亲油基种类对表面活性剂性质的影响,根据经验，亲油性的大小顺序如下： 脂肪族烷烃环烷烃脂肪族烯烃带脂肪族的芳香烃芳香族烃带弱亲水基的烃类。 在进行油水乳化而选择乳化剂时，除考虑乳化剂的适合HLB值外，尚应考虑亲油基与油的亲合力，如果亲合力差，则表面活性剂分子容易脱离油珠，自身缔合成胶束而溶于水中，使油珠失去保护膜而分离出来，一般经验是，两者的结构越接近，则亲合力越好。因此对原油的乳化，以带脂肪族烃基或脂肪基芳香族烃基活性剂为宜。 带弱亲水基的亲油基活性剂特点是起泡力弱(如O)，所以聚醚表面活性剂可作低泡活性剂，有的还可作消泡剂
12、。,亲油基结构中支链的影响,同种活性剂，分子大小相同，有分支结构的活性剂润湿、渗透性好。如十二烷基苯磺酸钠中正十二烷基()与四聚丙烯基()比较： ()有分支结构，因而润湿渗透力较大，但去污力较小。 ()去污能力较强，作润湿剂则要选择()。,分子大小对表面活性剂性质的影响,分子量小的，润湿、渗透性较好；分子量大的，洗涤作用、乳化、分散作用较好。,第四节 油田常用的几种表面活性剂,油田常用的几种表面活性剂,一、烷基磺酸钠（AS） C12C18的烷基磺酸钠水溶性强，其钙盐和镁盐的水溶性也很好，因此可用于含Ca2+、 Mg2+ 水中而不产生沉淀，但烷基的C原子数增加水溶性就减小，当R20时，烷基磺酸钠
13、就开始变成油溶性活性剂。 烷基磺酸钠在油田广泛用作起泡剂、乳化剂、润湿剂、近井地带处理剂、配制胶束、微乳液。使用中应注意其出厂的实际浓度，因工厂往往把25-28的烷基磺酸钠浓缩成65%以上的浆状物出售。,油田常用的几种表面活性剂,二、烷基苯磺酸钠（ABS） 三、Span和Tween型活性剂,油田常用的几种表面活性剂,四、聚醚型活性剂-高分子活性剂： 这类表面活性剂有：2070、2020、2040、2080等，主要用作破乳剂、乳化剂、防蜡剂、降阻剂等。2070作为破乳剂，原油脱水效果很好，但污水中带油较多，即脱出水后，乳状液往往反相成O/W型乳状液。BP169用作破乳剂可使原油含水从25%50%脱至0.08%，污水也很清。,油田常用的几种表面活性剂,五、多乙烯多胺型活性剂-AE、AP型活性剂 AP型活性剂为比较新的油田常用活性剂，是原石油部推广的七种破乳剂之一（TA1030、POI-2420、SAE、M-501、RA101、AP8051、SP），可用作低温破乳，脱水效果好。,第五节 油田用活性剂的发展动向,油田用活性剂的发展动向,一、大力进行活性剂复配的研究 二、发展高分子、超高分子油溶性活性剂 三、开展油田新型廉价、一剂多效的活性剂合成研究 四、加速研制耐温抗盐活性剂,
