非离子表面活性剂在粘土表面的吸附作用研究进展李自强

非离子表面活性剂在粘土表面的吸附作用研究进展李自强

石油工程10-9班 李自强 学号：2010022115

2012年12月5日

(中国石油大学 石油工程学院，北京 102249)

摘 要：这篇论文研究非离子表面活性剂的发展和其在粘土表面的吸附作用。非离子表面活性剂分子靠与氢键吸附与范德华力与粘土颗粒表面相连，能降低水土界面张力、改善疏水化合物的亲水性和土壤分散程度等性能。分析烷醇酰胺类、石油环烷酸二乙醇酰胺、阴-非离子型表面活性剂复配体的研究进展。最后，提供了一组非离子表面活性剂在油田上的用途。

关键词：非离子表面活性剂；粘土吸附；研究进展与应用

1 引言

表面活性剂已广泛应用于日常生活、工农业及高新技术领域，是当今最重要的工业助剂，其应用已渗透到几乎所有的工业领域[1]。表面活性剂的种类较多，其中水溶性的表面活性剂占总量70%以上，而非离子型又占表面活性剂25%左右[2]。

非离子表面活性剂是一种在水中不离解成离子状态的两亲结构的化合物，其分子中的亲油基团与离子型表面活性剂的亲油基团大致相同，其亲水基团主要是由具有一定数量的含氧基团（如羟基和聚氧乙烯链）构成。近20多年来，非离子表面活性剂发展极为迅速，应用越来越广泛，今后数年仍会保持这一势头。[1]

2 吸附机理及作用方式 2.1

分子性质

非离子表面活性剂在水溶液中以中性非离子分子或胶束状态存在，不会离解成带电的阴离子或阳离子，不会通过静电力产生吸附作用。它的疏水基是由含活泼氢的疏水性化合物如高碳脂肪酸、烷基酚、脂肪酸、脂肪胺等提供的，其亲水基是能与水形成氢键的醚基、自由羟基的化合物如环氧乙烷、多元醇、乙醇胺等提供的[3]。 2.2

固液界面吸附模型[1]

一种非离子型表面活性剂在固液界面上吸附的模型如图1所示。该模型按表面活性剂浓度将吸附过程分为5个阶段。现总结如下：

第I阶段，分子无规则地平躺于界面上；第II阶段，界面上铺满了平躺的分子；第III阶段，浓度进一步增加，吸附的分子开始不再限于平躺的状态，依据分子的憎水基对界面的润湿性的反应（偏离或偏向界面或者不发生变化）分为三种子情况；第IV阶段里，浓度已达临界交束浓度（CMC），体相溶液中开始大量形成胶团，分子开始采取定性吸附，吸附量急剧增加；此后第V阶段里，分子在界面上形成双分子膜或表面胶团，可使吸附量加倍。

图1 非离子型表面活性剂在固液界面上吸附的一种模型[1]

表面活性剂的疏水基间相互作用及它们逃离水的趋势，使得达到一定浓度后它们互相缔合而吸附。表面活性剂的疏水作用是胶团的形成和在固液界面、液气界面吸附的重要原因。 2.3

粘土表面吸附机理

存在三种：氢键吸附、范德华力与疏水作用。

文献[4]表明，非离子表面活性剂在粘土表面的吸附属于准二级动力学吸附，一般满足以下性质：吸附等温曲线呈S形，符合Langmuir-Freundlich吸附模型；温度升高时吸附量降低；pH值对吸附的影响不大；分子量增大，吸附能力降低，但是吸附速率增大；非离子表面活性剂的比吸附峰值浓度与非离子表面活性剂各类和实验设置无关，非离子表面活性剂可以通过氢键进行吸附。分子间的范德华力也参与到吸附中。例证如烷基酚聚氧乙烯醚[5]。

事实上，许多粘土矿物颗粒的层面上具有可以形成氢键的基团，使非离子表面活性剂更好的吸附于粘土颗粒表面，从而实现对粘土表面性能的改变与影响。

3 对粘土表面性能的改变和影响

像所有的表面活性剂一样，非离子表面活性剂具有降低水土界面张力、改善疏水化合物的亲水性和土壤分散程度等性能。用于钻井液时，pH值应控制在弱碱性（8~11）范围内，因为在此范围内，钻井液中的粘土有适当的分散性。[8]

Gardner等研究发现，含膨润土0%、1%、2%、3%、4%、5%的土样在经过含非离子表面活性剂（聚氧乙烯山梨醇单油酸）冲洗后，渗透率分别降低1%、5%、13%、44%、49%和69%，即表面活性剂促进粘土发生膨胀。X光散射实验发现表面活性剂增加了粘土中硅原子层的间距，从一般的水化间距15.23 .增加到18.02 .。以上实验说明非离子表面活性剂可以进入膨胀性黏土的晶格层中，因而增加了非离子表面活性剂的吸附。[6]

此外，土壤矿物的组成及所带电荷对表面活性剂的吸附也有重要影响。Podoll等研究发现，非离子表面活性剂在天然沉积物上的吸附与蒙脱土和蛭石的含量相关[7]。粘土成分中蒙脱石占据了较高的比重，钻井过程中若钻遇蒙脱石含量较高的地层，井壁会因粘土的水化膨胀而坍塌。在钻井液中加入非离子表面活性剂则会改善这一状况，因为非离子表面活性剂覆盖在粘土表面上，通过多点吸附而产生固结作用和包被作用，既防止了粘土与水的直接接触，又增加了粘土的密实程度，从而抑制了粘土的水化膨胀。

3.1

非离子表面活性剂的主要品种

聚氧乙烯型非离子表面活性剂是用具有活泼氢原子（—OH、—COOH、—NH2、—CONH2等基团中的氢原子）的疏水性原料与环氧乙烷或聚乙二醇进行反应制得的。油田用非离子表面活性剂按照亲水基结构的不同，常用的主要有聚氧乙烯类、多元醇类以及烷基醇酰胺类等。主要品种有[3][9]： 1.

聚氧乙烯型：含脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、烷基酚聚氧乙烯醚（APE）、脂肪酸聚氧乙烯酯、烷基胺聚氧乙烯酯、烷醇酰胺聚氧乙烯酯、脂肪酸甲脂乙氧基化物； 2.

多元醇型：乙二醇酯、单甘酯、司盘（SPAN）系列、蔗糖酯； 3.

烷醇酰胺类：分子中含有酰胺键的一类特殊的非离子表面活性剂，如脂肪酸单乙醇酰胺、脂肪酸单二醇酰胺； 4.

烷基多糖甘：糖类化合物与脂肪醇的反应产物。。 3.2

烷醇酰胺类类研究进展

烷醇酰胺是分子中具有酰胺键的一类特殊的非离子型表面活性剂，其通式为[3]。 22RCONH(CHCHOH)mn

它们是20世纪90年代发展起来的新型绿色表面活性剂，目前研究多集中于应用配方及性能的探索，这类表面活性剂在国内的中原油田、大庆油田、克拉玛依油田等已进行了室内实验或矿场试验，并取得较好结果。烷基醇酰胺具有使水溶液变稠的特性，浓度低于10%不液粘度可增至几百Pa·s。聚氧乙烯型非离子表面活性剂浓度一般需要在40% ~ 50%左右才可得到粘稠的溶液。烷基醇酰胺的起泡性和泡沫稳定性好，常作增泡剂和稳泡剂。[2] 3.3

新型非离子表面活性剂研究进展

利用新疆克拉玛依油田原油中富含石油环烷酸的特点，唐军等以当地石油环烷酸为原料制备出新型石油环烷酸二乙醇酰胺，在较低浓度下该表面活性剂的弱碱体系（0.3% 石油环烷酸二乙醇酰胺 + ）即可与克拉玛依七东一区原油形成的超低界面张力，体现出优良的界面性能。[9]

231.0% NaCO310mN/m. 3.4

阴—非离子型表面活性剂复配体研究进展[9]

表面活性剂复配体系比各组分单独使用具有更好的驱油效率、耐温抗盐性能，且能改善体系的溶解性和长期热稳定性等。目前研究较多的为阴-非离子表面活性剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂之间的复配。

4 应用实例

由于非离子表面活性剂因独特的分子结构而具有较好的抗盐性能，因此在油田这类表面活性剂一般不单独使用，通常与石油磺酸盐、重烷基苯磺酸盐等阴离子型表面活性剂复配使用，以改善驱油体系的耐盐性能。[9] 4.1

钻井解卡液

由于各种原因，有时井下钻具卡住，需要使用解卡液，解卡液多为油田现场配制的油包

水型乳状液，要求所用的表面活性剂除具有乳化分傲作用外，其润湿渗透作用要强。常用的有聚氧乙烯脂肪醇醚等。要求所配成的解卡液的破乳电压要大于350V。[10] 4.2

钻井液用消泡剂

为维护钻井液性能，有时需要使用消泡剂来脱气除泡。国内常用的一种非离子型消泡剂是甘油聚醚，由丙三醇与环氧丙烷反应而成。它可以与硬脂酸铝与三乙醉胺形成复配物，代号为AF-35，也用于消泡。[10]

参考文献 [1]

肖进新, 赵振国. 表面活性剂应用原理[M]. 北京: 化学工业出版社, 2004: 45-51. [2]

严群芳. 非离子表面活性剂的性质及应用[J]. 贵州化工, 2005, 30(5): 4-7,22. [3]

王军, 杨许召. 表面活性剂新应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009: 10-13. [4]

F.J. Trogus, T. Sophany, R.S. Schechter, et al. (SPE-06004-PA) Static and Dynamic Adsorption of Anionic and Nonionic Surfactants [J]. Society of Petroleum Engineers Journal, 1977: 337-344. [5]

刘光明, 尹大强. 粘土矿物对烷基酚聚氧乙烯醚的吸附行为[J]. 生态环境, 2008, 17(2): 593-597. [6]

R.T. Podoll, K.C. Irwin, B. Sheryl. Sorption of water-soluble oligomers on sediments [J]. Environmental Science and Technology, 1987(21): 562-568. [7]

K.H. Gardner, M.S. Arias. Clay swelling and formation permeability reductions induced by a nonionic surfactant [J]. Environmental Science and Technology, 2000, 34(1): 160-166 [8]

赵福麟. 油田化学[M]. 华东: 中国石油大学出版社, 2010: 20-22. [9]

唐红娇, 侯吉瑞, 赵凤兰 等. 油田用非离子型及阴-非离子型表面活性剂的应用进展[J]. 油田化学, 2011, 28(1): 115-118. [10]

罗跃. 国内油田应用表面活性剂的现状与展望[J]. 精细石油化工, 1992(5): 1-6.

论文写得比较规范，条理清楚。不足之处在于对问题的理解有待提高。9分

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sist.html