摘要介紹一個(gè)油田化學(xué)專(zhuān)業(yè)綜合實(shí)驗，通過(guò)該實(shí)驗可了解Gemini表面活性劑的發(fā)展現狀，掌握陽(yáng)離子型Gemini表面活性劑BQAS的合成及純化方法，了解結構表征的原理。

1991年，Menger等人[1]合成了以剛性基團連接離子頭基的雙烷烴鏈表面活性劑，并命名為Gemini表面活性劑，其結構如圖1所示。Gemini表面活性劑通過(guò)聯(lián)接基團將兩個(gè)單鏈表面活性劑連接起來(lái)，減弱了離子頭基間的靜電斥力，增強了碳氫鏈間的疏水結合力，使表面活性劑分子在溶液表面排列得更緊密，具有更高的表面活性。Gemini表面活性劑在生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、紡織、金屬防腐、3次采油等領(lǐng)域有廣闊的應用前景。本文根據油田化學(xué)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)設計了陽(yáng)離子型Gemini表面活性劑的合成、表征及性能測定的綜合實(shí)驗。

1實(shí)驗目的

了解Gemini表面活性劑的發(fā)展現狀；于掌握陽(yáng)離子型Gemini表面活性劑BQAS的合成及純化方法；了解結構表征的原理和方法；掌握表面性能和緩蝕性能的評價(jià)方法。

2實(shí)驗原理

目前，季銨鹽型Gemini表面活性劑的合成方法主要有以下幾種:

用基團連接兩個(gè)單長(cháng)鏈烷烴二甲基叔胺分子；

于在已有的N，N，N憶，N憶-四甲基烷基二胺中引入疏水基；

以含有環(huán)氧基團的長(cháng)鏈烷基化合物與叔胺發(fā)生季銨化反應，制得雙烷基雙親水基陽(yáng)離子型表面活性劑；

特殊結構陽(yáng)離子型Gemini表面活性劑的合成:聯(lián)接基團結構特殊、疏水基團特殊、非對稱(chēng)陽(yáng)離子型Gemini表面活性劑、多烷基多季銨鹽型Gemini表面活性劑的合成。

本實(shí)驗采用第一種方法，以N，N-二甲基十二烷基叔胺和1，4-二溴丁烷反應，制備雙季銨鹽型Gemini表面活性劑BQAS。

表面張力的測定方法通常有:鉑金板法、鉑金環(huán)法、滴體積法、最大氣泡壓力法等。本實(shí)驗采用鉑金板法測定表面活性劑水溶液的表面張力。

測定中，當鉑金板浸入被測液體后，鉑金板周?chē)蜁?huì )受到表面張力的作用，液體的表面張力會(huì )將鉑金板盡量地往下拉。當液體表面張力及其他相關(guān)的力與平衡力達到均衡時(shí)，鉑金板就會(huì )停止向液體內部浸入，這時(shí)候，儀器的平衡感應器就會(huì )測量浸入深度，并將其轉換為液體的表面張力值。

F(平衡力)=mg(鉑金板的重力)+L酌cos茲(表面張力總和)-Sh籽g(鉑金板受到的浮力)式中m為鉑金板的質(zhì)量，g為重力加速度，L為鉑金板的周長(cháng)，酌為液體的表面張力，茲為液體與鉑金板之間的接觸角，S為鉑金板橫切面面積，h為鉑金板浸入的深度，籽為液體密度。

根據Gibbs吸附等溫式及表面活性劑的酌-lgc曲線(xiàn)，可求得吸附量祝:

式中L為阿伏伽德羅常數。

酸化是油氣田增產(chǎn)增注的重要措施之一，在石油工業(yè)中得到了廣泛的應用。酸化使用的酸液注入地層的過(guò)程會(huì )嚴重腐蝕地面管道及井筒管壁，而且Fe3+會(huì )對地層產(chǎn)生永久損害，所以酸液中必須加入緩蝕劑。本實(shí)驗參照《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價(jià)指標》，采用靜態(tài)掛片法，對已提純的合成產(chǎn)物BQAS進(jìn)行緩蝕性能研究。掛片法是在實(shí)驗室給定條件下，通過(guò)用試片的質(zhì)量損失計算出腐蝕速率和緩蝕率，來(lái)研究緩蝕劑緩蝕性能的方法。

腐蝕速率計算公式為:

3儀器與試劑

儀器:NEXUS470傅立葉紅外光譜儀，Bruker AVANCE III核磁共振儀，R-1002旋轉蒸發(fā)儀，WRS-1B數字熔點(diǎn)儀，DZ-2BC真空干燥箱，JJ-1電動(dòng)攪拌器，恒溫水浴鍋，JK99B自動(dòng)張力儀，BS-210S電子天平，干燥器，N80鋼片(長(cháng)伊寬伊高=40mm伊13mm伊2mm)，醫用紗布，毛刷，醫用金屬鑷子，脫脂棉，綢子，鐵砂紙，250mL三口燒瓶1只，回流冷凝管等。

試劑:N，N-二甲基十二烷基叔胺(AR)，1，4-二溴丁烷(AR)，乙腈(AR)，乙酸乙酯(AR)，無(wú)水乙醇，石油醚(AR)，丙酮(AR)，鹽酸(AR)等。

4實(shí)驗步驟

4.1雙季銨鹽BQAS的合成及純化步驟

按物質(zhì)的量比2.15:1取一定量的N，N-二甲基十二烷基胺和二溴丁烷，溶于一定量的乙腈溶劑，置于干燥的三口燒瓶中，升溫至回流溫度反應24h，減壓蒸除溶劑。以混合溶劑(V(無(wú)水乙醇):V(乙酸乙酯)=1:5)重結晶2~3次，將所得白色固體在60益真空干燥，稱(chēng)重后計算產(chǎn)率。

4.2雙季銨鹽BQAS的結構表征

用WRS-1B數字熔點(diǎn)儀測定所得產(chǎn)物熔點(diǎn)；用NEXUS470傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)、BrukerAVANCE III核磁共振儀對所得產(chǎn)物進(jìn)行結構表征。

4.3溶液表面張力的測定

配置一系列不同濃度(10-5~10-2mol/L)的BQAS溶液，25益恒溫下用鉑金環(huán)法測定上述溶液的表面張力，繪制酌-lgc圖；按轉折點(diǎn)兩側直線(xiàn)部分外延，相交點(diǎn)的數據得到臨界膠束濃度(cmc)和臨界膠束濃度下的表面張力酌cmc。

4.4緩蝕性能評價(jià)

4.4.1鋼片預處理步驟

脫脂:將鋼片放入裝有石油醚的瓷瓶中，用尖端纏有脫脂棉的鑷子擦洗兩遍，脫脂除污。于脫油:將經(jīng)上述步驟處理的鋼片用丙酮浸泡5min脫油。脫水:經(jīng)上述步驟處理的鋼片用無(wú)水乙醇浸泡5~10min脫水。干燥:取出鋼片，用清潔的綢子擦拭，用冷風(fēng)吹干。將已擦拭吹干的鋼片依次用定性濾紙包裝，置于干燥器中干燥10h以上，然后用分析天平稱(chēng)重，精確至0.1mg。經(jīng)處理后的鋼片，不可用手直接接觸或受機械損傷及污染。

4.4.2實(shí)驗步驟

配置不同BQAS濃度(0~250mg/L)的6%鹽酸溶液各200mL。在溶液中掛入處理過(guò)的鋼片，密封，并放入60益水浴鍋中。掛片4h后，從酸液中取出鋼片，立即用清水沖洗，去除酸液和疏松的腐蝕產(chǎn)物。

用毛刷和紗布擦拭鋼片表面的腐蝕產(chǎn)物，然后用自來(lái)水沖洗干凈，用醫用紗布擦干。將鋼片依次放入石油醚、丙酮、無(wú)水乙醇中各浸泡5min，取出鋼片用綢子擦拭，然后用冷風(fēng)吹干，放入干燥器中干燥4h以上。在分析天平上準確稱(chēng)重(精確至0.1mg)并記錄。

5數據處理