油层物理3-2-第二节-吸附作用省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件

第二节吸附作用及其和表面张力关系一、吸附概念溶解于某相中物质，自发地聚集到两相界面层并急剧降低该界面层表面张力现象现象。表面活性剂：被吸附在两相界面上、且能大大降低界面张力物质叫做表面活性物质或称表面活性剂。表面活性剂是一个两亲分子，含有一个极性端和一个非极性端就其极性而言，能够把原油组分分为非极性物质和含有极性活性物质两类。烃类是非极性物质，烃与氧、硫、氮化合物是活性物质。原油是表面活性物质和非极性烃类一个溶液。1第1页液体表面吸附问题是怎样一个过程，又是怎样降低自由界面能？纯水中加入少许活性剂(肥皂)，则肥皂水溶液表面张力要比纯水表面张力减小很多。两相界面表面张力对外来物（如活性剂肥皂）存在极其敏感，尽管外来物质极少，它却使表面张力急剧减小。这种现象：首先表面张力性质;另首先外来物性质2第2页从外来物性质（肥皂性质）来看，从化学结构上讲，它是高级脂肪酸一些盐类，比如钠肥皂分子化学结构式为CnH2n+lCOONa比如C16H33COONa。它一端是由碳氢组成基团，含有对称非极性结构，称之为碳氢链(如C16H33-)；另一端则是非对称极性基团(如-COONa)。这种含有两性分子通常以“—O”表示。直线段代表非极性碳氢链，圆环一端代表极性基团。钠肥皂分子化学结构式3第3页将少许肥皂活性剂放入纯水中，肥皂活性剂分子便自发地集聚在两相界面层上(水面)，水为极性，所以，活性剂分子极性端朝向水里，而非极性端则力图与非极性空气相作用，从而使得水表面层极性差减小，水表面层自由表面能也随之减小，表面张力减小。4第4页二、气-液界面（表面）吸附从图上能够看出，当表面活性物质浓度较小时，随浓度增加，比吸附增大和表面张力减小都比较快。不过，当浓度增加到—定值后，比吸附则不再增加，而趋于比吸附最大值。这是因为吸附趋饱和。此时表面张力值，也就不再随浓度增加而减小了。图8—14中最右边情况，就是水中活性剂分子聚集在一起，憎水非极性端向内相互靠拢，亲水基向外，形成所谓‘胶束’。从上述肥皂水溶液吸附过程例子能够看出，若C为吸附在A、B两相界面物质，则物质A极性＞C极性＞B极性，这就是所谓“极性均衡”标准。凡是吸附作用发生，都将满足这一个标准。5第5页二、气-液界面（表面）吸附可见，活性剂集中到界面上去，就会使极性差减小，也就是使自由表面能（即表面张力）减小，而这一过程恰与自由能趋于最小趋势是一致，所以，肥皂活性剂分子向水界面层集中是自发过程。纯水表面张力很大(72.8mN／m)，而加肥皂后表面张力会大大降低。含有上述结构分子所组成物质——表面活性剂，在液体中都能降低界面张力。从上述肥皂水溶液吸附过程例子能够看出：若C为吸附在A、B两相界面物质，则物质A极性＞C极性＞B极性这就是所谓“极性均衡”标准。凡是吸附作用发生，都将满足这一个标准。6第6页二、气-液界面（表面）吸附原油是含各种分子混合物，就其极性组成而言，能够分为非极性物质和含有极性活性物质两类。前者如烷烃、环烷烃和芳香烃，后者普通是烃与氧、硫、氮化合物，如环烷酸、胶质、沥青质等。实际上，能够认为原油是表面活性物质在非极性烃类中一个溶液。被吸附在两相界面层上、能大大减低表面张力物质叫做表面活性物质或表面活性剂。界面层单位面积上比相内多出吸附量叫比吸附，用G表示。7第7页二、气-液界面（表面）吸附在气-液界面上，比吸附与溶质浓度、表面活度之间关系由吉布斯(Gibbs)等温吸附关系式表示：式中：G——吉布斯比吸附量；

C——溶质浓度；

()T——表面活度，即在某一温度下，表面张力随溶液浓度改变率，代表溶质表面活性大小；T，R——绝对温度和通用气体常数。8第8页二、气-液界面（表面）吸附当<0时，比吸附G为正值，称为正吸附，它表明表面张力随溶质浓度增加而降低，溶质为表面活性物质；假如＞0时，比吸附G为负值，称负吸附，它表明表面张力随溶质浓度增加而增加，溶质为表面非活性物质，如多数无机盐如NaCl、MgCl2、CaCl2等都会使表面张力增高。它们溶于水中，会增加了水相分子内聚力，从而就增加了油-水、气-水界面张力。9第9页二、气-液界面（表面）吸附比吸附G与溶液中表面活性物质浓度之间关系曲线，称为比吸附等温线表面张力σ与溶液中表面活性物质浓度之间关系曲线，称为表面张力等温线吸附饱和10第10页二、气-液界面（表面）吸附最右边情况：水中活性剂分子聚集在一起，憎水非极性端向内相互靠拢，亲水基向外，形成‘胶束’——Micelle因为非极性憎水端被极性端完全包围在内部，不与水接触，它们就会稳定地溶于水中，对水表面张力也就没有太大影响。临界胶束浓度CMC——CriticalMicelleConcentration普通表面活性剂CMC为10－2～10－15mol/L一个胶束中包含分子个数：几十～几百～几千个11第11页二、气-液界面（表面）吸附图8—16给出了在油水两相为乙、丙烷混合气体所饱和情况下，油-水表面张力随压力改变。当压力开始增加时表面张力有所增加，当压力继续增加时表面张力随即减小，紧接着则趋于不变。这一过程既和乙、丙烷气体在两相中溶解相关系，又和油中极性组分在两相界面层浓度改变相关系。12第12页三、液-液界面上吸附在油水两相体系中，当表面活性剂处于界面上时，亲油基处于油中，亲水基留在水中。表面活性剂在界面上浓度高于其在油相或水相中浓度。在互不混溶液体体系中加入表面活性剂物质，会使它们界面张力降低。比如正辛烷－水体系，界面张力～50mN/m。加入十二烷基硫酸钠，能够使界面张力降低至几mN/m水平。13第13页四、气-固界面上吸附和液体一样，固体表面上分子所受力也是不对称，所以固体表面也存在界面能。固体能够吸附碰撞到其表面上气体分子或从溶液中吸附其它物质，以降低其表面能。历史上，对吸附作用研究和工业应用是从固体开始。14第14页四、气-固界面上吸附

兰格缪尔（1916年）提出单分子层吸附理论，认为固体表面分子力场不饱和，产生剩下力并使碰撞到固体表面气体分子被吸附。吸附作用是气体分子在固体表面凝聚和逃逸两种相反运动动态平衡结果。兰格缪尔提出了吸附量与气体压力关系，即等温吸附关系式：

式中：V——某一定量吸附剂上气体吸附质摩尔数

P——气体压力V∞——该一定量吸附剂所能吸附最大摩尔数

b——吸附系数或特征常数。

15第15页四、气-固界面上吸附当P值很低时，bP值远小于1，V≈V∞bP，所以V压力p成正比。在P值很高时，bP值远大于1，则有V＝V∞，这表明高压力下，吸附剂表面已被单分子层吸附物质覆盖，增加压力，吸附量不再增加。16第16页四、气-固界面上吸附固体表面吸附含有以下规律：（1）单位质量固体吸附量，伴随吸附界面面积增大而增大。（2）固体表面是凹凸不平，表面物质成份也不均一，不一样成份含有不一样吸附性能，所以固体吸附含有选择性。固体表面不一样部位吸附效果常有较大差异。（3）吸附是放热，所以升高温度吸附量降低（4）吸附量与被吸附物质浓度成正比，浓度越大，吸附量越大。气体含有较大压缩性，固体表面对气体吸附随压力升高而增大。17第17页五、液-固界面上吸附液体在固体表面上吸附首先是因为固体表面力场诱导，另首先是因为吸附层分子如活性剂影响。固体表面物质成份很不均一，表面凹凸不平，造成了固体吸附不一样部位含有不一样吸附性能，表现出选择性吸附，即固体极性部分易吸附极性物，而非极性部位易吸附非极性物等。液体在固体表面上吸附常形成边界层。18第18页五、液-固界面上吸附油藏流体中油和水，其中水含有很强极性，原油中各种非烃类化合物，如环烷酸、沥青质等也含有极性结构，所以它们轻易被由极性矿物颗粒组成岩石表面所吸附。能够认为：石油在岩石中吸附程度主要取决于石油中所含极性物质多少。Б.B.泽烈金指出，玻璃面上油水膜厚度约为0.075μm。岩石固体表面吸附层十分牢靠，因为它含有反常力学性质及很高抗剪切能力，所以极难除去。19第19页五、液-固界面上吸附A.Φ.列别捷夫曾进行气驱水试验，证实在700N离心力作用下气驱水后，多孔介质中颗粒表面上仍留有约几个水分子层薄膜。在岩石孔隙中，水被吸附于孔隙内壁表面上形成牢靠吸附层，孔隙半径等于和小于吸附层厚度孔隙，就不会再有储油价值。所以，从吸附角度而言，有效孔隙应是半径大于吸附水膜厚度孔隙。因为吸附层厚度受岩石表面性质、孔隙结构、表面粗糙度、液体性质、温度及压力等各种原因影响，造成了储层岩石表面含有选择性吸附特点。20第20页五、液-固界面上吸附液体在固体表面吸附要比气体复杂多。计算溶质在固液界面吸附量与液相中溶质浓度经验公式当前也有几个，如兰格缪尔（Langmuir）吸附等温式表示为：

Г——吸附量，mol/g；Г∞——饱和吸附量（即1g吸附剂当表面盖满一层时所能吸附溶质量），mol/g；c——溶质浓度，mol/L；b——吸附系数，其数值与温度、溶质和溶剂性质相关，L/mol。21第21页五、液-固界面上吸附吸附现象是因为物质表面未饱和力场自发地吸附周围介质以降低其表面自由能自发觉象。润湿现象是自然界中另一类自发觉象。当不相混两相流体(如油、水)与岩石固相接触时，其中一相流体沿着岩石表面铺开，其结果也使体系表面自由能降低，我们称这种现象为润湿现象。能沿岩石表面铺开那一相当为润湿相。因为润湿作用支配着油、气、水在地层岩石孔隙中微观分布。22