Поверхностные явления и адсорбция

Часто поверхностное натяжение определяют как силу, действующую тангенциально к поверхности раздела фаз на единицу длины периметра этой поверхности.

В системе единиц СИ поверхностное натяжение измеряется в Дж / м ², мДж / м ² или Н / м, в системе СГС единицами измерения поверхностного натяжения являются эрг / см ² или дин / см:

1 Дж / м ² = 1000 эрг / см ²,

1 мДж / м ² = 1 эрг / см ².

Некоторые вещества способны понижать поверхностное натяжение жидкостей. Такие вещества называются поверхностно-активными (ПАВ). По отношению к воде поверхностно-активными являются карбоновые кислоты, спирты, альдегиды, амины, белки и некоторые другие органические соединения. Схематически строение молекулы ПАВ изображают следующим образом:. Кружочек обозначает полярную группу, а «хвост» – неполярную углеводородную часть. Такое строение молекулы ПАВ называется дифильным, то есть молекула обладает сродством к двум различным по полярности фазам (фильность – сродство). Молекулы ПАВ способны ориентироваться (адсорбироваться) на границах раздела фаз, выравнивая полярности этих фаз и, тем са­мым, снижая поверхностное натяжение между ними.

Вещества, которые не изменяют или повышают поверхностное натя­жение на границах раздела фаз, называются индифферентными и поверхностно-инактивными (ПИВ) соответственно. По отношению к воде такими веществами являются сахара (они не изменяют s воды) и неорганические соли, основания, кислоты (незначительно повышают sводы).

Американский ученый Дж. У. Гиббс вывел уравнение, описы­вающее процесс адсорбции ПАВ на границах раздела жидкость/газ и жидкость/жидкость:

, (1.1)

где Г – адсорбция, (моль / см ² или моль / м ²);

s– поверхностное натяжение (эрг / см ² или Дж / м ²);

С – концентрация раствора (моль / л, моль / м ³);

Т – температура, К;

R – универсальная газовая постоянная, Дж / моль × К.

Величина называется поверхностной активностью вещества и характеризует способность вещества снижать поверхно­стное натяжение. Если g > 0, то вещество называется поверхностно-активным и его адсорбция на границе раздела фаз Г > 0, если же g < 0, то вещество называется поверхноcтно-инактивным и Г<0. Отри­цательная величина адсорбции Г в данном случае означает, что концентрация растворенного вещества в объеме раствора больше, чем в поверхностном слое.

Поверхностно-активные вещества широко используются в нефтя­ной промышленности. В частности, в бурении и при эксплуатации скважин они применяются для увеличения нефтеотдачи коллекторов, вскрытия пластов, предотвращения обвалов при бурении скважин, улучшения условий освоения нефтяных скважин, повышения их продуктивности и приемистости, предотвращения образования эмульсий в нефтяных скважинax и для деэмульгирования нефти, борьбы с коррозией нефтепромыслового оборудования, понижения твердости разбуриваемых пород, в качестве регуляторов срока схватывания при цементировании скважин.

Прикладное значение поверхностно-активных веществ (ПАВ) в нефтегазовой отрасли промышленности обусловлено необходимостью повышения коэффициента извлечения нефти (КИН) пластов, который чаще всего не превышает 50% при благоприятных физико-геологических условиях.

Существует множество методов увеличения нефтеотдачи пластов и повышения КИН, среди которых определенное распространение получил метод физико-химического заводнения с применением полимеров и ПАВ.

Указанные процессы сопровождаются комплексом физико-химических микропроцессов, от понимания которых зависят методы разработки нефтяных месторождений, а также степень извлечения углеводородного сырья из пласта.

Зависимость поверхностного натяжения от природы вещества и температуры. Поверхностное натяжение жидкостей зависит от их природы и температуры. Значения величины поверхностного натяжения некоторых индивидуальных жидкостей на границе с воздухом представлены в таблице 1.2.

C увеличением температуры значение поверхностного натяжения снижается и при температуре, близкой к критической, становится равным нулю. Аналитическая форма зависимости поверхностного натяжения от температуры представлена уравнением (1.2):

, (1.2)

где – поверхностное натяжение при температурах Т ₂ и Т ₁; γ – температурный коэффициент поверхностного натяжения (его величина для различных жидкостей лежит в пределах значений 0,002÷0,04).

Таблица 1.2 – Поверхностное натяжение жидкостей на границе с воздухом http://ru.wikipedia.org