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Gemini表面活性劑的結(jié)構(gòu)、表面張力測定綜合實驗
來源：大學化學 瀏覽 1139 次 發(fā)布時間:2024-09-23
摘要介紹一個油田化學專業(yè)綜合實驗，通過該實驗可了解Gemini表面活性劑的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握陽離子型Gemini表面活性劑BQAS的合成及純化方法，了解結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。Gemini表面活性劑通過聯(lián)接基團將兩個單鏈表面活性劑連接起來，減弱了離子頭基間的靜電斥力，增強了碳氫鏈間的疏水結(jié)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、材料科學、環(huán)境科學、紡織、金屬防腐、3次采油等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。本文根據(jù)油田化學專業(yè)的特點設(shè)計了陽離子型Gemini表面活性劑的合成、表征及性能測定的綜合實驗。
1實驗目的
了解Gemini表面活性劑的發(fā)展現(xiàn)狀；于掌握陽離子型Gemini表面活性劑BQAS的合成及純化方法；了解結(jié)構(gòu)表征的原理和方法；掌握表面性能和緩蝕性能的評價方法。
2實驗原理
目前，季銨鹽型Gemini表面活性劑的合成方法主要有以下幾種:
用基團連接兩個單長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)氧基團的長鏈烷基化合物與叔胺發(fā)生季銨化反應(yīng)，制得雙烷基雙親水基陽離子型表面活性劑；
特殊結(jié)構(gòu)陽離子型Gemini表面活性劑的合成:聯(lián)接基團結(jié)構(gòu)特殊、疏水基團特殊、非對稱陽離子型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(yīng)，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，鉑金板周圍就會受到表面張力的作用，液體的表面張力會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，鉑金板就會停止向液體內(nèi)部浸入，這時候，儀器的平衡感應(yīng)器就會測量浸入深度，并將其轉(zhuǎn)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，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(jù)Gibbs吸附等溫式及表面活性劑的酌-lgc曲線，可求得吸附量祝:
式中L為阿伏伽德羅常數(shù)。
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(yīng)用。酸化使用的酸液注入地層的過程會嚴重腐蝕地面管道及井筒管壁，而且Fe3+會對地層產(chǎn)生永久損害，所以酸液中必須加入緩蝕劑。本實驗參照《酸化用緩蝕劑性能試驗方法及評價指標》，采用靜態(tài)掛片法，對已提純的合成產(chǎn)物BQAS進行緩蝕性能研究。掛片法是在實驗室給定條件下，通過用試片的質(zhì)量損失計算出腐蝕速率和緩蝕率，來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(zhuǎn)蒸發(fā)儀，WRS-1B數(shù)字熔點儀，DZ-2BC真空干燥箱，JJ-1電動攪拌器，恒溫水浴鍋，JK99B自動張力儀，BS-210S電子天平，干燥器，N80鋼片(長伊寬伊高=40mm伊13mm伊2mm)，醫(yī)用紗布，毛刷，醫(yī)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)，無水乙醇，石油醚(AR)，丙酮(AR)，鹽酸(AR)等。
4實驗步驟
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(yīng)24h，減壓蒸除溶劑。以混合溶劑(V(無水乙醇):V(乙酸乙酯)=1:5)重結(jié)晶2~3次，將所得白色固體在60益真空干燥，稱重后計算產(chǎn)率。
4.2雙季銨鹽BQAS的結(jié)構(gòu)表征
用WRS-1B數(shù)字熔點儀測定所得產(chǎn)物熔點；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)物進行結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)折點兩側(cè)直線部分外延，相交點的數(shù)據(jù)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
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，然后用自來水沖洗干凈，用醫(yī)用紗布擦干。將鋼片依次放入石油醚、丙酮、無水乙醇中各浸泡5min，取出鋼片用綢子擦拭，然后用冷風吹干，放入干燥器中干燥4h以上。在分析天平上準確稱重(精確至0.1mg)并記錄。
5數(shù)據(jù)處理
