表面活性剂的吸附作用浅析

表面活性剂的吸附作用浅析

冯瑶

中国石油化工股份有限公司天津分公司  天津市  300270

摘要：表面活性剂剧透粘度低、润湿性好、有较好乳化降粘的作用且在低浓度情况下能有效降低表面张力的良好性能，因此在油田开发过程中有大量的应用。但研究发现在油田应用时用量较高，因此探究表面活性剂的吸附作用对于其在油田的经济有效的使用具有重要作用。

关键词：表面活性剂；吸附；作用机理

1 表面活性剂

表面活性剂，是指加入少量该物质就能够使得改溶液体系的界面状态发生明显变化的物质。具有固定的亲水亲油基团，在溶液的表面能定向排列。表面活性剂的分子结构具有两亲性：其中一端是亲水基团，另一端是疏水基团；亲水基团常为极性基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基或胺基及其盐，羟基、酰胺基、醚键等也可作为极性亲水基团；而疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂按离子类型分类可以分为离子型表面活性剂（包括阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性表面活性剂）、非离子型表面活性剂等。在驱替过程中表面活性剂会被吸附在岩石、油砂等固体表面，造成表面活性剂在油藏中的大量损耗，不仅带来直接的经济损失，也对驱替效果造成影响。因此，探究表面活性剂的吸附性意义重大。

2 吸附作用

2.1 吸附作用概述

当气相或液相中的分子或原子、离子碰撞到固体表面时，由于它们之间的相互作用,使一些分子或原子、离子停留在固体表面上。当体系达到热力学平衡时，固体表面上的气相或液相分子或原子、离子的浓度比在气相或液相中的浓度大，这种现象称为吸附作用。通常把固体称为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质，吸附质可以是气体或液体。如油砂浸泡在表面活性剂溶液中会发生吸附作用，油砂为吸附剂，表面活性剂为吸附质。吸附作用通常发生在吸附剂的表面上，包括吸附剂的外表面和内表面如孔隙表面。
2.2 吸附作用的分类

按照吸附剂与吸附质之间作用力的性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附。物理吸附吸附剂与吸附质之间的作用力为范德华引力包括色散力、诱导力、取向力及氢键。这类吸附没有选择性，吸附速度快，吸附与解吸与吸附相反的过程易达平衡，但可因分子间引力大小不同使吸附的难易程度不同，在低温时易发生物理吸附。化学吸附吸附剂与吸附质之间的作用力为化学键力。化学吸附的特点是发生了化学反应，生成了表面化合物，吸附力较强、不易脱附、吸附速度慢等。物理吸附与化学吸附在一定条件下可同时发生，也可相互转化，大多数的吸附属于物理吸附。

按吸附界面的不同，吸附可分为三种气体在固体表面上的吸附气固界面固体自溶液中的吸附液固界面液体对气体或液体对液体的吸附气液或油液界面。

2.3 吸附作用机理

表面活性剂从水溶液中吸附到固体表面上通常包括两种物理化学作用，即引力作用和表面胶团化作用。表活性剂分子或离子与固体表面之间的吸引作用，只有存在这种吸引作用，才能使表面活性剂分子或离子从溶液内部迁移到固体表面上形成吸附随着固体和表面活性剂种类的不同，吸引作用的机制也有所不同，主要有以下几种：

①离子交换吸附。处于带电固体表面上和层中的反离子被带有相同电荷的表面活性离子所取代，存在此种吸附机制的根据是，测定固体粒子的界面电势和吸附量随表面活性剂溶液浓度变化时，发现在低浓度区有吸附量上升而界面电势保持不变的现象，离子交换吸附是这种现象的合理解释。

②电性吸附。当固体表面吸附位所带电荷与表面活性离子电性相反时，通过正负电性吸引作用而发生吸附，这时固/液界面电势随吸附量上升而变小
③分子间引力吸附。引力中的色散力存在所有分子之间，可发生于任何场合，定向力和诱导力在适当的场合也对表面活性剂的吸附做出贡献。

④表面活性剂分子与固体表面基团形成氢键而发生吸附。

⑤除了静电作用和范德华力作用，吸附作用还包括化学作用、疏水链和固体疏水位置之间的作用、氢键结合作用等。表面活性剂在固体表面的吸附就是以上几种或全部影响的叠加。除了静电作用和范德华力作用，吸附作用还包括化学作用、疏水链和固体疏水位置之间的作用、氢键结合作用等。表面活性剂在固体表面的吸附就是以上几种或全部影响的叠加。

表面胶团化作用。表面活性剂的基本物理化学特性之一就是在一定浓度以上的溶液中生成胶团，这是两亲分子疏水效应的结果。被吸附于固体表面上的表面活性剂分子或离子并未改变其两亲性，它的碳氢尾巴仍然显示疏水效应，于是，在一定浓度以上，这些吸附在固体表面的两亲分子或离子也会参与疏水缔合物的形成，并使更多的表面活性剂分子或离子固定于界面上，导致吸附量上升。

3 结论

（1）在一定温度范围内，随着温度的上升，表面活性剂的吸附量会下降；

（2）在一定范围内，随着矿化度含量的升高，表面活性剂的吸附量也会上升；

（3）在相同实验条件下，表面活性剂的吸附量在除油后的净砂上的吸附量高于油砂上的吸附量；

（4）表面活性剂溶液中加入碱或聚合物后，表面活性剂吸附等温线形状基本未变，但吸附量明显降低，主要是因为碱、聚合物和表面活性剂在岩石表面上竞争吸附及岩石表面性质改变的结果；

（5）使用牺牲剂进行预驱替可以有效降低表面活性剂的吸附量，有效降低表面活性剂由于吸附作用造成的不必要的损耗。

参考文献

[1]李道山,鹿守亮.用木质素磺酸盐预冲洗降低表面活性剂吸附的矿场试验[J].石油石化节能,2001,17(9):1-6.

[2]唐善法,田海,岳泉,等.阴离子双子表面活性剂在油砂上吸附规律研究[J].石油天然气学报,2008(6):313-317.

[3]王业飞,张丁涌,乐小明.阴离子表面活性剂在油砂和净砂表面的吸附规律[J].中国石油大学学报(自然科学版),2002,26(3):59-61.

[4]姚同玉,姚风英,李继山.阳离子表面活性剂在不同砂岩表面的吸附与吸附焓变研究[J].石油钻采工艺,2008,30(2):82-85.

[5]李道山,刘忠福.牺牲剂降低表面活性剂吸附损失研究[J].大庆石油地质与开发,2000,19(3):20-23.