Контрольная работа по "Химии"

 

 

Содержание:

 

 

 

Введение......................................................................................................  3

1. Поверхностно-активные  вещества.......................................................  4

    1.1. Понятие, классификация, виды.....................................................  4

     1.2. Поверхностные явления................................................................  8

2. Поверхностно-активные  вещества (ПАВ) и их роль                                             в процессах вытеснения нефти водой в пластах............................  10

Заключение.................................................................................................  20

Список используемой литературы............................................................  21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 

В настоящее время поверхностно-активные вещества (ПАВ) применяются в различных  областях промышленности — это моющие средства, флотореагенты, стабилизаторы эмульсий и пен, диспергаторы минералов, антистатики, ингибиторы коррозии, деэмульгаторы и т. д. Такое широкое применение обусловлено их способностью в низких концентрациях значительно интенсифицировать технологические процессы, а так же модифицировать поверхности, придавая им необходимые свойства. Разработка оптимальных условий использования ПАВ возможна только при знании физико-химических основ их действия. Кроме того, специфичность структуры ПАВ и то, что применяемые в промышленности ПАВ являются техническими фракциями, требует знания синтеза, технологии получения и анализа ПАВ. Существующая информация по данным вопросам, а так же по физико-химическим свойствам, теории и практическому применению в различных областях разрознена, что затрудняет ее использование.

Контрольная работа состоит из двух частей. В первой раскрывается понятие поверхностно-активные вещества (ПАВ), а также даются определения и рассматриваются её класификация, свойства, и т.д. Во второй части — их применение в нефтяной промышленности. Разумеется, каждая из них не дает исчерпывающей информации по освещаемому вопросу, так как ПАВ множество, и области их применения широки и многообразны.

 

 

 

 

 

 

 

1. Поверхностно-активные  вещества.

1.1. Понятие, классификация, виды.

Поверхностно-активные вещества, (ПАВ) — химические соединения, вещества, молекулы которых способны из объёма истинного или коллоидно-го раствора концентрироваться на границе раздела фаз (жидкость—газ, жид-кость—жидкость или жидкость—твёрдое тело) с понижением свободной по-верхностной энергии (поверхностного натяжения). Молекулы ПАВ — орга-нические соединения, имеющие амфифильное строение, то есть их молекулы имеют в своём составе полярную часть, гидрофильный компонент (функцио-нальные группы ОН, СООН, NH₂, SO₃H и др.) и неполярную (углеводород-ную) часть(от 4 до 20 СН₂-групп), гидрофобный компонент. Действие ПАВ обусловлено повышенной молекулярной массой и особенностью строения молекул. В водном растворе ПАВ на границе с воздухом образуется мономо-лекулярный слой с углеводородными радикалами, ориентированными в сто-рону воздуха. По мере его насыщения молекулы (ионы) ПАВ, уплотняясь в поверхностном слое, располагаются перпендикулярно поверхности (нормальная ориентация).

При растворении молекулы ПАВ способны диссоциировать на ионы (ионогенные) или переходить в раствор в мономолекулярном состоянии (не-ионогенные). По химич. структуре ПАВ делятся на 4 осн. кл.: анионоактив-ные, катионоактивные, неионогенные и амфотерные (амфолитные). До 60% применяемых в настоящее время ПАВ — анионоактивные вещества, которые в водном растворе ионизируются с образованием отрицательно заряженных органических ионов. Типичным примером является мыло, состоящее, как правило, из соединений солей щелочных металлов (до 10%) с высшими жир-ными кислотами. Долгое время (до 1960-х) наиб. используемым из ПАВ был биохимически устойчивый тетрапропилбен-золсульфонат. Сейчас широкое применение находят соли сернокислых эфиров (сульфаты, R—О—SО₃—Ме) и соли сульфокислот (сульфонаты, R—SО₃—Ме), где R = C₁₂—C₁₈, a Me — щелочной металл (обычно натрий). Катионоактивные ПАВ, доля которых достигает 30%, представляют собой вещества, ионизирующиеся в водном растворе с образованием положительно заряженных органических ионов (метиламин, этиламин, пропиламин и другие алифатические амины).

Амфолитные ПАВ ионизируются в воде разл. образом в зависимости от условий среды: в кислом растворе они проявляют катионоактивные свойства, в щелочном — анионоактивные свойства. Неионогенные ПАВ в водном рас-творе не образуют ионов. Они представляют собой высокомолекулярные продукты присоединения окиси этилена или окиси пропилена с соединения-ми, имеющими подвижный атом водорода (алкил-фенолами, жирными спир-тами, кислотами, фенолами и т. д.). Основной количественной характеристи-кой ПАВ является поверхностная активность — способность вещества сни-жать поверхностное натяжение на границе раздела фаз — это производная поверхностного натяжения по концентрации ПАВ при стремлении С к нулю. Однако, ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или (ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация молекул ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). В результате такой агрегации образуются так называемые мицеллы. Мицеллы ПАВ находятся в обратимом термодинамич. равновесии с молекулами; при разбавлении раст-вора они распадаются, а при увеличении концентрации вновь возникают. Обычно такие растворы обладают моющей способностью. При любой кон-центрации они находятся в истинно растворенном состоянии.Отличительным признаком мицеллообразования служит помутнение раствора ПАВ. Водные растворы ПАВ, при мицеллообразовании также приобретают голубоватый оттенок (студенистый оттенок) за счёт преломления света мицеллами.

Концентрация ПАВ в адсорбцеонном слое на несколько порядков выше, чем в объеме жидкости, поэтому даже при ничтожно малом содержании в во-де (0,01-0,1% по массе) ПАВ могут снижать поверхностное натяжение воды на границе с воздухом с 72,8·10^-3 до 25·10^-3 Дж/м², т.е. практически доповерх-ностного натяжения углеводородных жидкостей. Аналогичное явление имеет место на границе водный раствор ПАВ - углеводородная жидкость, что создает предпосылки для образования эмульсий.

Применение ПАВ определяется их поверхностной активностью, струк-турой адсорбции слоев и объемными свойствами растворов.  ПАВ обеих групп (истинно растворимые и коллоидные) используют в качестве диспер-гаторов при измельчении твердых тел, бурении твердых пород (понизители твердости), для улучшения смазочного действия, понижения трения и износа, интенсивности нефтеотдачи пластов и т. д. Другой важный аспект использо-вания ПАВ - формирование и разрушение пен, эмульсий, микроэмульсий.

Широкое применение ПАВ находят для регулирования  структурообра-зования и устойчивости дисперсных систем с жидкой дисперсионной средой (водной и органической). Широко используются мицеллярные системы, об-разуемые ПАВ как в водной, так и в неводной среде, для которых важны не поверхностная активность ПАВ и не свойства их адсорбционных слоев, а объемные свойства: резко выраженные аномалии вязкости с повышением  концентрации ПАВ вплоть до образования, например в водной среде, крис-таллизация структур твердого мыла или твердообразных структур (в плас-тичных смазках на основе нефтяных масел).

ПАВ находят применение более  чем в 100 отраслях народного хозяйст-ва. Большая часть производимых ПАВ используется в составе моющих  сред-ств, в производстве тканей и изделий на основе синтетических и природных волокон. К крупным потребителям ПАВ относятся нефтяная, химическая промышленности, промышленноссть строительных материалов и ряд других. Наиболее важные применения ПАВ: бурение с глинистыми растворами и обратимыми эмульсиями вода-масло. Для регулирования агрегативной ус-тойчивости . ПАВ-водорастворимые эфиры целлюлозы, поли-акриламид и др., в эмульсии вводят кальциевые соли природных и синтетически жирных (C₁₆-C₁₈ и выше), алкилароматические сульфонаты, алкиламины, алкиламидо-амины, алкилимида-золины; повышение нефтеотдачи пластов посредством мицеллярного заводнения (оксиэтилированные алкилфенолы и спирты, алкилароматические сульфонаты); регулирование смачивания при флотации  железных и марганцевых руд , руд редких металлов ; улучшение структуры почв, предотвращение эрозионных процессов (ПАВ-полиэлектролиты - про-дукты неполного гидролиза полиакрилонитрила, продукты амидирования полиакриловой и полиметакриловой, причем в составе полимерной цепи варьируются амидные, циклические имидные, карбоксильные и др. группы). Основным сырьём для многотоннажного производства ПАВ являются про-дукты нефтепереработки и нефтехимич. синтеза: низкомолекулярные и выс-шие парафины, олефины, синтетические жирные кислоты, высшие жирные спирты, алкилпроизводные бензола и фенола, окись этилена. ПАВ применя-ются для гидрофобизации призабойной зоны пласта (ПЗП) с целью увеличе-ния нефтеотдачи. ПАВ используются в производстве чистящих и моющих средств, латексов, каучуков, полимеров, флотореагентов, фармавтехнических препаратов, химических средств защиты растений, текстиля и кожи, строи-тельных материалов, ингибиторов коррозии, при добыче, транспортировке и переработке нефти, в сельском хозяйстве, металлообработке и др. Широко используют все виды ПАВ при получении и применении синтетических по-лимеров. Обычно применяют высокомолекулярные ПАВ - водорастворимые полимеры (воливиниловый спирт, производные целлюлозы, растительные клеи и т.п.). Смешиванием лаков или жидких масляносмоляных композиций с водой в присутствии эмульгаторов получают эмульсии, применяемые при изготовлении пластмасс, кожзаменителей, нетканых материалов, импрегиро-ванных тканей, водоразбавляемых красок и т.д.

Разнообразные ПАВ применяют  для поверхностной обработки  волок-нистых и пленочных материалов ( как антистатики, модификаторы прядиль-ных растворов, моющие средства.При соответствующей ориентации молекул в по-верхностном слое способны предотвратить смачивание материала не только водой, но и углеводородными жидкостями, компоненты гидроизоля-ционных и антикоррозионных покрытий, облегчают механическую обработ-ку металлов и др.материалов,повышают эффективность процессов  дисперги-рова-ния жидкостей и твёрдых тел. Высокомолекулярные водорастворимые ПАВ применяют как флокулянты в различных видах водоочистки. С их помощью из сточных и технологич. вод, а также из питьевой воды удаляют загрязне-ния, находящиеся во взвешенном состоянии.

Долгое время считалось, что ПАВ не являются высокотоксичными ве-ществами. В последние годы получены многочисленные факты, свидетель-ствующие об их безусловной экологической опасности. ПАВ делятся на те, которые быстро разрушаются в окружающей среде и те, которые не разруша-ются и могут накапливаться в организмах в недопустимых концентрациях. Например в океане изменение поверхностного натяжения приводит к сниже-нию показателя удерживания CO₂ и кислорода в массе воды. Только немно-гие ПАВ считаются безопасными (алкилполиглюкозиды), так как продуктами их деградации являются углеводы. Однако при адсорбировании ПАВ на по-верхности частичек земли,песка степень,скорость их деградации снижаются многократно. Так как почти все ПАВ, используемых в промышленности и домашнем хозяйстве, имеют положительную адсорбцию на частичках земли, песка, глины, при нормальных условиях они могут высвобождать (десорби-ровать) ионы тяжёлых металлов, удерживаемые этими частичками, и тем самым повышать риск попадания данных веществ в организм человека.

 

1.2. Поверхностные  явления

 

Поверхностные явления, явления, вызываемые избытком свободной энергии в поверхностных слоях жидкости или газов, повышенной актив-ностью и ориентацией молекул в этом слое, а также особенностями его структуры и состава; определяются также тем, что химические и физические взаимодействия тел происходят прежде всего в поверхностных слоях. К числу П. я. относятся: поверхностное натяжение, капиллярные явления, поверхностная активность, смачивание, адсорбция, адгезия и др.

Поверхностное натяжение  и межмолекулярные взаимодействия внутри фаз обусловливают процессы смачивания и растекания капли жидкости на твердой или жидкой поверхности, а также явления когезии и адгезии. Малая капля жидкости, помещенная на твердую поверхность, может принимать разную форму: либо близкую к сферической, либо плоскую. В первом случае твердой поверхность не смачивается жидкостью, во втором — смачивается. Смачивание—явление,возникающее при взаимодействии жидкости с поверх-ностью твердой тела при их контакте, обусловленное силами притяжения и отталкивания молекул жидкости и твердого тела. По числу фаз, участвующих в процессе, различают два типа смачивания:1) иммерсионное смачивание, имеющее место при полном погружении твердого тела в жидкость; в таком случае в смачивании участвуют две фазы: жидкость и твердое тело; 2) кон-тактное смачивание, протекает с участием трёх фаз: твёрдой, жидкой, газооб-разной. При смачивании наблюдается искривление свободной поверхности жидкости вблизи стенки сосуда. Степень искривления свободной поверхнос-ти характеризуется краевым углом. Значения краевого угла могут меняться в пределах от 0 до 180°. Величину угла смачивания отсчитывают между твер-дой поверхностью и касательной, проведённой к поверхности капли в точке соприкосновения твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Измерение угла про-изводят со стороны жидкости. При нанесении на поверхность воды капли нерастворимой в ней жидкости в одних случаях происходит растекание кап-ли, в других оно отсутствует. Явление растекания обусловливается поверх-ностным натяжением на трёх поверхностях раздела: вода—воздух (вг), вода —капля (вм) и капля—воздух (мг). В системе самопроизвольно будет идти тот процесс, который приведёт к минимуму поверхностной энергии Гиббса. Явления смачивания и растекания тесно связаны с действием сил когезии и адгезии. Когезией называется сцепление однородных молекул, атомов или ионов, которое включает все виды межмолекулярного и межатомного притя-жения, внутри одной фазы. Когезия определяет существование веществ в конденсированом (твёрдом и жидком) состоянии. Адгезия (прилипание) — это молекулярное притяжение между поверхностями двух соприкасающихся разнородных твёрдых или жидких фаз. Адгезия является причиной склеива-ния двух разных веществ за счёт действия физических или химических меж-молекулярных сил. Численно работа когезии равна удвоенному значению поверхностного натяжения. Работа адгезии — это работа, затрачиваемая на отрыв молекул одной фазы от молекул другой фазы. Адгезия сопровождается уменьшением поверхностной энергии (при совмещении разных фаз энергия Гиббса системы уменьшается на величину работы адгезии). Капиллярные явления — явления, вызываемые влиянием сил межмолекулярного взаимо-действия на равновесие и движение: свободной поверхности жидкости; по-верхности раздела несмешивающихся жидкостей; границ жидкостей с твёрдыми телами. Адсорбция — явление поглощения газов и паров, а также растворённых веществ поверхностным слоем (пористых) тел (адсорбентов).

 

2. Поверхностно-активные  вещества (ПАВ) и их роль в  процессеах вытеснения нефти водой в пластах.

 

В нефтяной промышленности поверхностно-активные вещества (ПАВ)  широко применяются при различных технологических процессах бурения и добычи нефти. Многочисленными исследованиями установлено, что добавка ПАВ в нагнетаемую воду значительно повышает эффективность процесса вытеснения нефти водой по сравнению с обычным заводнением. Поэтому при заводнении пластов широко используют закачку водных растворов ПАВ. Для увеличения нефтеотдачи пластов применяют также ПАВ, полученные на базе побочных продуктов или отходов производства химических и нефтехи-мических продуктов : реагент НОК ( низкомолекулярные органические кис-лоты ) — кислый. КС — кислые стоки, содержащие в качестве основного вещества около 15% смеси высокомолекулярных органических кислот, спир-тов, альдегидов и кетонов ; реагент ОКМ — полиоксиэтиленовое производ-ное легких талловых масел с содержанием полиоксиэтилена 55-65%, относи-тся к классу неионогенных поверхностно-активных веществ ; реагент АСС   ( алкилсульфатная смесь ) — продукт взимодействия отхода производства дивинила ( пенореагента ПР ) и алкилированной серной кислоты, являющей-ся также отходом изводства. Для усиления флотационного эффекта к воде до-бавляют ПАВ ( нефть, мазут, смолы, керосин, высокомолекулярные жирные кислоты, меркаптаны, ксантогенаты и др.),которые понижают поверхностное натяжение жидкости,ослабляя связь воды с твердым веществом.Для борьбы с пролитыми на воду нефтью и нефтепродуктами применяют также химичес-кие реагенты,  ПАВ. Действие ПАВ основано на разрушении пленки жидких углеводородов и водонефтяной эмульсии на тонкодисперсные частицы.

В процессе вытеснения нефти ПАВ  оказывают влияние на следующие  взаимосвязанные факторы: межфазное натяжение на границе нефть-вода и поверхностное натяжение на границах вода - порода и нефть -порода, обус-ловленное их адсорбцией на этих поверхностях раздела фаз. Кроме того, дей-ствие ПАВ проявляется в изменении избирательного смачивания поверхнос-ти породы водой и нефтью, разрыве и отмывании с поверхности пород плен-ки нефти, стабилизации дисперсии нефти в воде, приросте коэффициентов вытеснения нефти водной фазой при принудительном вытеснении и при капиллярной пропитке, в повышении относительных фазовых проницаемос-тей пористых сред. 

В нефтяной промышленности ПАВ используются для гидрофобизации призабойной зоны пласта с целью увеличения нефтеотдачи.ПАВ сокращают срок освоения нефтяных скважин, резко увеличивают их продуктивность. ПАВ применяют и в качестве деэмульгаторов эмульсии воды и нефти,реаген-товсобирателей в процессе флотации при очистке сточных вод на нефтепере-рабатывающих заводах. Как результат ПАВ содержатся в производственных, а также в бытовых водах нефтеперерабатывающих заводах.