Адсорбція поверхнево-активних речовин із водних розчинів

Адсорбційне рівняння Гіббса

Рівняння (8.27) називається фундаментальним адсорбційним рівняннямГіббса. (17)

Для бінарного розведеного розчину з концентрацією розчиненої речовини С, коли зміною хімічного потенціалу розчинника при адсорбції можна знехтувати, рівняння (17) переходить у широко використовується рівняння Гіббса для неелектролітів

(18)

де R - універсальна постійна газова; Т – температура.

Рівняння (18) ілюструє вплив природи речовини на адсорбцію через похідну d/dC. Ця похідна визначає знак надмірної адсорбції. Щоб виключити вплив концентрації на похідну, беруть її граничне значення при С> 0; цю величину називаютьповерхневою активністюі позначаютьg :

Аналіз цього рівняння показує, що адсорбція буде позитивною (Г>0) при dσ/dc 0 і тому Г + і С1 - будуть втягуватися в об'ємну фазу сильніше, ніж молекула води, оскільки сили взаємодії Na + - вода більше, ніж вода - вода. До цього додаються ще сили кулонівської взаємодії Na + та С1 – . В результаті поверхневий шар збіднюється електролітом.

Поверхнево-активні речовини (ПАР)

Поверхнево-активними називаються такі речовини, які здатні адсорбуватися (концентруватися) на поверхнях розділу фаз і знижувати внаслідок цього їх поверхневий натяг.

Молекули ПАР маютьдифільне( подвійне) будову. Їх прийнято зображати у вигляді пуголовка, у якого головка полярна (гідрофільна), а хвостик – неполярний (гідрофобний).

Області застосування поверхнево-активних речовин:

» Зниження поверхневого та міжфазного натягу

» Запобігання утворенню емульсій

» Дисперсія та підтримання у зваженому стані дрібнодисперсних частинок

» Змочування: гідрофільна або гідрофобна поверхня

» Стабілізація глинистих пластів

» Хімічна активність кислот

» Запобігання утворенню відстою

Вимоги до поверхнево-активних речовин

Сумісність з рідинами та добавками для обробки свердловин.

Висока активність при низьких концентраціях

Низька адсорбція на породах-колекторах

Здатність до вироблення необхідного рівня змочуваності порід, а також підтримки цього рівня

Високий коефіцієнт розподілу розчинності у рідині для обробки свердловин

Добавки ПАР до технічної води дозволяють:

Інтенсифікувати процес руйнування гірських порід на вибої. Це наступним. У процесі буріння гірська порода в зоні контакту з долотом покривається мережею макро- і мікротріщин, які після зняття навантаження стуляються і таким чином робота, витрачена на їх освіту, надалі не використовується для полегшення руйнування гірських порід. При адсорбції ПАР лежить на поверхні таких микротрещин, їх змикання запобігає, забезпечуючи цим як би зниження міцності гірських порід у зоні передруйнування (ефект П.А. Ребиндера, 1928 р.).

Зменшити силу тертя між стінками свердловини (аксіальне тертя) та бурильними трубами, а також знос останніх. Матеріал бурильних труб та гірські породи гідрофобні, тому молекули ПАР адсорбуються на них своїми гідрофобними (вуглеводневими) частинами. Утворені в результаті граничні плівки («молекулярний ворс») здатні значно зменшити тертя і знос поверхонь, що контактують у свердловині.

Підвищити зносостійкість породоруйнівного інструменту за рахунокутворення аналогічної граничної плівки на озброєнні та опорах долот.

Область застосування водних розчинів ПАР та сама, що й у технічної води. Однак їх переваги говорять про необхідність і доцільність добавок ПАР до технічної води (полімерних та інших розчинів) практично у всіх випадках, коли це можливо (виняток: буріння в зонах поглинань та розтин водоносних горизонтів господарсько-питного призначення). ПАР рекомендується вводити у буровий розчин і перед розкриттям нафтових пластів.

З погляду поверхневої активності всі речовини можна розділити на дві групи:

• першій групі відносяться такі, для яких(dσ/dC)0, їх називають поверхнево-активними;
• до другої групи належать речовини, для яких(dσ /dC)> 0 іГ 0 і тому Г 0), знижуючи поверхневий натяг(так/дС

---