تأثیر غلظت سورفکتانت، نمک و pH بر روی تنش سطحی

بررسی تأثیر نانوذرات و سیالات توزیع کننده بر ازدیاد برداشت نفت
دی ۱۰, ۱۳۹۶
مدیریت چالش­های پیش­رو در مسیر تولید پایدار و بهینه از میدان مشترک گازی پارس جنوبی
دی ۱۰, ۱۳۹۶

تأثیر غلظت سورفکتانت، نمک و pH بر روی تنش سطحی

چکیده
در این مقاله اثر سه فاکتور مهم و تأثیر گذار که نقش مهمی بر روی کارکرد سورفکتنت در مخازن نفتی دارند بر روی تنش سطحی مورد مطالعه قرار گرفته است. این سه فاکتور به ترتیب؛ غلظت سورفکتنت، غلظت نمک و pH می باشند. برای این منظور دو سورفکتنت LA-7 و SDS که اولی غیر آنیونیک و دومی آنیونیک است مورد آزمایش قرار گرفته است. به منظور بررسی محیط های با حضور شوری از دو نوع نمک NaCl و CaCl2 استفاده شده است. افزایش غلظت سورفکتانت ها تا مقدار غلظت بحرانی باعث کاهش مقدار تنش سطحی می شود. رفتار افزایش غلظت نمک های NaCl و CaCl2 بر روی سورفکتنت های SDS و LA-7 متفاوت است. همچنین نتایج نشان داد که در محیط های اسیدی و بازی کشش سطحی تغییر چندانی نمی کند.
کلمات کلیدی: تنش سطحی، سورفکتنت های آنیونیک، سورفکتنت های غیر آنیونیک.
مقدمه
تنش سطحی به نیروی بین مولکولهای یک مخلوط آبی گفته می شود که تمایلی را برای کاهش سطح بین دو مایع ایجاد می کند. این تنش در واقع شرایطی از جذب بین مولکولی را ایجاد می کند که با از بین بردن آن تنش سطحی نیز از بین می رود. این موضوع را می توان یا از طریق افزایش درجه ی حرارت یا افزودن سورفکتنت ها ایجاد کرد (۱).
در واقع کاهش تنش سطحی در یک مخلوط آبی یکی از وظایف کلیدی سورفکتنت ها می باشد. در بسیاری از موارد کاربردی، از قبیل استخراج نفت و فوم های اطفاء حریق، کمترین تنش سطحی مورد نیاز می باشد. این حداقل تنش سطحی را می توان از طریق افزودن سورفکتنت به محلول ایجاد نمود. توسعه ی یک مدل که بتواند اثر متغیرهای مختلف از جمله غلظت سورفکتنت، غلظت نمک، اثر دما و pH بر روی تنش سطحی را ایجاد کند می تواند در بهینه کردن این موضوع به ما کمک شایانی بکند. یک محدودیت برای کاهش تنش سطحی به دلیل محدودیت در حلالیت سورفکتنت¬ها ایجاد می شود. با افزایش غلظت سورفکتنت ها بعد از این حد، سورفکتنت ها تشکیل یک فاز مجزا (به نام مایسل) در کنار توده ی مخلوط سورفکتنت¬ها می دهند.
غلظتی را که در آن تشکیل مایسل ها آغاز می شود را غلظت مایسل بحرانی می نامند (cmc). برای غلظت های کمتر از cmc، سورفکتنت ها در بافت موجود بین مخلوط و سطح بینابین پراکنده می شوند. پس از اینکه غلظت سورفکتانت به غلظت cmc برسد، هرگونه افزایش در غلظت سورفکتانت باعث تشکیل مایسل شده به نحوی که غلظت بافت مخلوط ثابت و برابر cmc خواهد بود (۲-۳). در این مقاله علاوه بر تأثیر نوع و غلظت سورفکتانت، همچنین تأثیر غلظت نمک های NaCl و CaCl2 و pH بر روی تنش سطح نیز بررسی شده است.
اندازه گیری تنش سطحی
برای اندازه گیری تنش سطحی از روش Drop-Weight استفاده شده است. هدف از این آزمایش تعیین تنش سطحی مایعات مختلف با داشتن تنش سطحی یک مایع معلوم است، بر اساس قانون Tate در مورد تنش سطحی مایعات می¬توان نوشت:
mg=π*r*γ (۱)
که در اینجا mg وزن یک قطره از مایع است که از قطره‌ چکان می‌افتد و r شعاع منفذ قطره‌ چکان.
بر اساس این رابطه می¬توان در مورد تنش سطحی دو مایع رابطه زیر را اثبات کرد:

(۲) γ^’/γ= N/N^’ ×D^’/D

که در رابطه بالا γ تنش سطحی، D وزن مخصوص و N تعداد قطرات دو مایع در حجم مساوی است که از قطره‌ چکان می‌چکد. برای اندازه‌گیری N و N’ از قطره‌ چکان هلیگه و برای اندازه‌گیری D و D’ از ترازوی Mohr یا ترازویWestphal استفاده شده است. سپس با داشتن تنش سطحی ‌یکی از دو مایع تنش سطحی دیگری حساب خواهد شد. در اینجا با داشتن وزن مخصوص آب مقطر (۹۹۸/۰) تعداد قطره¬ها برای هر آزمایش شمرده می¬شود. هم اکنون با داشتن مقادیر وزن مخصوص و تعداد قطره¬ها و کشش سطحی آب مقطر کشش سطحی محلول¬ها را با استفاده از فرمول ۲ بدست می¬آید.
روش کار
۳-۱- تغییرات غلظت سورفکتانت
شکل ۱ تغییرات کشش سطحی با افزایش غلظت سورفکتانت را نشان می¬دهد. با افزایش غلظت سورفکتانت مقدار کشش سطحی تا یک محدوده¬ای کاهش پیدا می¬کند تا به یک مقدار ثابت می¬رسد. این مقدار ثابت را غلظت بحرانی سورفکتانت می¬نامند. در این شکل مقدار cmc برای LA-7 و SDS حدود gr/100cc07/0 و gr/100cc024/0 بدست آمده است که با مقدار داده شده توسط شرکت فروشنده برابری می¬کند.

شکل۱: تأثیر غلظت سورفکتانت بر کشش سطحی. (۴)

۴-۲- تغیییرات نمک
شکل۲ اثر تغییرات غلظت نمک بر روی کشش سطحی را نشان می¬دهد. با افزایش نمک NaCl بر سورفکتانت یونی SDS کشش سطحی افزایش یافته است، در حالیکه با افزایش نمکCaCl2 مقدار کشش سطحی کاهش پیدا کرده است. افزایش الکترولیت NaCl بر محلول سورفکتانت SDS باعث کاهش دافع بار یونی مشابه سر گروه سورفکتانت SDS شده و طبق معادله¬ی Gouy–Chapman باعث جذب بیشتر سورفکتانت در سطح می¬شود، که این موضوع باعث کاهش مقدار غلظت بحرانی(cmc) و همچنین باعث کاهش کشش سطحی می¬گردد، ولی با افزایش نمک CaCl2 به محلول سورفکتانت SDS موجب رسوب کردن SDS در محلول می¬شود و این امر باعث افزایش کشش سطحی می شود.

شکل۲: تأثیر نمک بر کشش سطحی برای سورفکتانت SDS.

شکل ۳ تغییرات افزایش نمک بر کشش سطحی سورفکتانت غیرآنیونی LA-7 را نشان می¬دهد. با افزایش دو نمک با غلظت بالا (M3/0) به دلیل حل نشدن سورفکتانت در آب باعث افزایش کشش سطحی می¬شود ولی در غلظت¬های کم باعث کاهش کشش سطحی می شود.

شکل۳: تأثیر نمک بر کشش سطحی برای سورفکتانت غیر یونی LA-7.

۴-۳- تغییرات pH
شکل ۴ و ۵ اثر تغییرات pH بر کشش سطحی دو سورفکتانت را نشان می¬دهد. به علت افزایش مقدار بسیار کمی اسید یا باز مشاهده شده است که کشش سطحی تغییر زیادی نکرده است.

شکل۴: تأثیر pH بر کشش سطحی برای سورفکتانت SDS.

 

سید شمس اله نوربخش*۱، حسن امامی۱
کارشناس ارشد مهندسی نفت، دانشگاه تهران

منابع
[۱] Z., Yılmaz, S. Aktemur, H.D. Buzoglu, The Effect of Temperature and pH Variations on the Surface Tension of EDTA Solution, June 2011, JOE -Volume 37, Number 6.
[۲] S.F., Burlatsky, V.V., Atrazhev, D.V., Dmitriev, V.I., Sultanov, E.N., Timokhina, E.A., Ugolkova, S., Tulyani, A., Vincitore, Surface tension model for surfactant solutions at the critical micelle concentration, Journal of Colloid and Interface Science, 10 October 2012.
[۳] R., Petkova, S. Tcholakova, N.D. Denkov, Role of Polymer-Surfactant Interactions in Foams: Effects of pH and Surfactant Head Group for Cationic Polyvinylamine and Anionic Surfactants, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 15 January 2013, 174-185.

[۴] N. Schelero, G. Hedicke, P. Linse, and R. V. Klitzing, Effects of Counter-ions and Co-ions on Foam Films Stabilized by Anionic Dodecyl Sulfate, American Chemical Society, 2010, Phys. Chem. B, pp. 15523-15529.

شکل۵: تأثیر pH بر کشش سطحی سورفکتانت غیر یونی LA-7.
منابع
[۱] Z., Yılmaz, S. Aktemur, H.D. Buzoglu, The Effect of Temperature and pH Variations on the Surface Tension of EDTA Solution, June 2011, JOE -Volume 37, Number 6.
[۲] S.F., Burlatsky, V.V., Atrazhev, D.V., Dmitriev, V.I., Sultanov, E.N., Timokhina, E.A., Ugolkova, S., Tulyani, A., Vincitore, Surface tension model for surfactant solutions at the critical micelle concentration, Journal of Colloid and Interface Science, 10 October 2012.
[۳] R., Petkova, S. Tcholakova, N.D. Denkov, Role of Polymer-Surfactant Interactions in Foams: Effects of pH and Surfactant Head Group for Cationic Polyvinylamine and Anionic Surfactants, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 15 January 2013, 174-185.

[۴] N. Schelero, G. Hedicke, P. Linse, and R. V. Klitzing, Effects of Counter-ions and Co-ions on Foam Films Stabilized by Anionic Dodecyl Sulfate, American Chemical Society, 2010, Phys. Chem. B, pp. 15523-15529.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *