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低用量、高效率:離子液體促進(jìn)劑實(shí)現(xiàn)水合物生成體系表面張力最大降低53.06%
來源:精 細(xì) 石 油 化 工 瀏覽 36 次 發(fā)布時(shí)間:2026-04-22
2 結(jié)果與分析
2.1 [MIMPS]DBSA對(duì)水合物反應(yīng)液表面張力的影響
氣體水合物形成需要低溫高壓的條件,由于壓力對(duì)表面張力的影響很小,因此實(shí)驗(yàn)忽略壓力影響。圖1為各溫度下[MIMPS]DBSA隨濃度變化的情況。[MIMPS]DBSA可以大幅度降低水合物反應(yīng)液的表面張力,隨著[MIMPS]DBSA濃度c的增大,表面張力持續(xù)降低。這是由于離子液體具有表面活性,根據(jù)Gibbs公式,在恒溫恒壓下,當(dāng)溶液濃度很小時(shí),可用濃度c代替活度α2,即得Γ2=-1/(2RT)(?γ/?lnc)T可知,具有表面活性的物質(zhì)吸附量為正,則(?γ/?c)T的值為負(fù),即表面張力隨溶液濃度升高而降低。
圖1 含[MIMPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力隨濃度的變化
由圖1可知:濃度在0~100mg/kg區(qū)間,表面張力急劇降低,表面張力平均降幅達(dá)33.3%;濃度在300~700mg/kg區(qū)間,表面張力降低幅度減小,dγ/dc變小,平均降幅為21.3%。濃度≥700mg/kg時(shí),表面張力仍有降低,但降低幅度很小,曲線趨于平緩;在≥900mg/kg后,表面張力增幅不超過0.013%,水合物反應(yīng)液表面張力為(37.2±0.5)mN/m。由此確定含有[MIMPS]DBSA的水合物反應(yīng)液CMC為900mg/kg,最多降低表面張力50.2%。
圖2為含[MIMPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力與溫度的關(guān)系。
由圖2結(jié)合表面熱力學(xué)理論和線性擬合結(jié)果(圖2虛線)得出表面張力與溫度之間基本成線性關(guān)系,可由式(1)描述。
\sigma = a + bT \quad (1)
隨著溫度的升高,表面張力有所降低。在275~283K,溫度對(duì)表面張力影響不大。從圖1、圖2可知:溶液濃度是影響含[MIMPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力的主導(dǎo)因素。因超過700mg/kg后,水合物反應(yīng)液表面張力降低效果很小。綜合考慮用量和效果,以c=700mg/kg為最佳濃度。
2.2 [PIPS]DBSA與[PYPS]DBSA對(duì)水合物反應(yīng)液表面張力的影響
對(duì)[PIPS]DBSA和[PYPS]DBSA采取相同測量辦法,得到水合物生成溫度條件下含[PIPS]DBSA和[PYPS]DBSA的水合物反應(yīng)溶液表面張力的變化曲線。由圖3可知:加入[PIPS]DBSA后,反應(yīng)溶液的表面張力明顯下降,最大降幅達(dá)到51.2%。由曲線變化情況可知,水合物反應(yīng)液表面張力變化分3個(gè)階段,溶液濃度≤100mg/kg階段,表面張力下降速度快,dσ/dc變化大,處于該區(qū)間的[PIPS]DBSA對(duì)水合物生成誘導(dǎo)期的影響效果也最為明顯。在100~300mg/kg區(qū)間,表面張力下降速率比第一區(qū)間有所縮短,但仍有19.6%的減小;當(dāng)濃度為300~900mg/kg時(shí),表面張力仍有降低,但變化程度很微小,由曲線走勢判斷,[PIPS]DBSA的CMC≥1200mg/kg。
濃度一定時(shí),含[PIPS]DBSA水合物反應(yīng)溶液的表面張力隨溫度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出:在275~283K,表面張力隨溫度變化比較平緩,總體呈隨溫度升高而下降趨勢,基本是線性減函數(shù)關(guān)系。
圖3 含[PIPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力與濃度的關(guān)系
圖4 含[PIPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力與溫度的關(guān)系
圖5、圖6為[PYPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力隨濃度和溫度變化情況。由圖5、圖6可以看出:溫度一定時(shí),[PYPS]DBSA與[PIPS]DBSA的表面張力有相同的變化趨勢。第一階段表面張力降低36.3%;第二階段在100~500mg/kg區(qū)間,表面張力降低22.7%;第三階段,表面張力變化沒有明顯減少,變化幅度≤0.057%,依次判斷[PYPS]DBSA的CMC為700mg/kg。含[PYPS]DBSA的水合物反應(yīng)液的表面張力最低為34.5mN/m,比無添加劑情況下降低53.06%。
圖5 含[PYPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力隨濃度的變化
圖6 含[PYPS]DBSA水合物反應(yīng)液表面張力與溫度的關(guān)系
2.3 3種離子液體對(duì)降低水合物反應(yīng)溶液表面張力的效果對(duì)比
低溫高壓是氣體水合物形成的必要條件,故在279K下,對(duì)比3種離子液體對(duì)降低水合物反應(yīng)體系表面張力的效果,其表面張力曲線見圖7。由圖7可見:c<400mg/kg的[MIMPS]DBSA有較好的表面活性,降低溶液表面張力的效果好于其他兩種;隨濃度增加,表面張力濃度梯度dγ/dc減小。在c>500mg/kg時(shí),[PYPS]DBSA和[PIPS]DBSA降低水合物反應(yīng)液的表面張力好于[MIMPS]DBSA??傮w來看,三者都能有效的降低水合物反應(yīng)液的表面張力,作用效果相差不大。
圖7 含不同離子液體的水合反應(yīng)溶液表面張力
圖7中,在微量的表面活性劑濃度區(qū)間,水合物反應(yīng)液的表面張力迅速下降,隨著濃度的升高,表面張力降低趨勢有所減緩,但仍持續(xù)降低。與無添加劑的反應(yīng)體系相比,含有[PIPS]DBSA、[MIMPS]DBSA和[PYPS]DBSA的水合物反應(yīng)液表面張力平均降低51.64%。其中,表面張力最低的為[PYPS]DBSA溶液,在CMC濃度時(shí),表面張力為35.4mN/m。通常氣體水合物首先形成于氣液界面處,由于氣液界面處的成核Gibbs自由能比較小,因?yàn)槲阶饔媒缑嫣幹黧w、客體分子濃度都較高,利于分子簇的生長。然而,氣體分子在進(jìn)入液相時(shí)會(huì)受到表面張力的阻礙,減小水合物反應(yīng)液的表面張力可以有效降低水合物形成阻力,減少誘導(dǎo)時(shí)間,增大生成速率和儲(chǔ)氣密度。從這一角度出發(fā),[PYPS]DBSA為強(qiáng)化水合物生成的最優(yōu)促進(jìn)劑,最佳促進(jìn)劑濃度為700mg/kg。





