利用水合物獨(dú)特的物化性質(zhì)，如儲(chǔ)氣密度高、生成產(chǎn)生相變且相變溫度高、傳熱系數(shù)低等，可以開發(fā)一系列高新應(yīng)用技術(shù)。水合物的研究領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，已從最初石油與天然氣工業(yè)中的水合物形成預(yù)測(cè)與防治擴(kuò)展到化工、能源和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。對(duì)水合物的基礎(chǔ)性研究已非常必要，人們采用和提出了各種不同的方法和措施來增加水合物儲(chǔ)氣量，降低相平衡點(diǎn)，縮短誘導(dǎo)時(shí)間，加速水合物的生成。通過實(shí)驗(yàn)添加新型添加劑降低水合物溶液的表面張力，從而降低水合物的生成條件，促進(jìn)水合物的生成，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析總結(jié)。

1、實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置采用芬蘭Kibron生產(chǎn)的QBZY-1型全自動(dòng)表面張力儀，此表面張力儀采用Wilhelmy盤法測(cè)定溶液表面張力。當(dāng)感測(cè)鉑板浸入被測(cè)液體后，鉑板周圍受到表面張力的作用，液體的表面張力將鉑板往下拉。當(dāng)液體表面張力及其它相關(guān)力與平衡力達(dá)到均衡時(shí)，感測(cè)鉑板停止向液體內(nèi)部浸入，此時(shí)儀器的平衡感應(yīng)器將測(cè)量浸入液體的深度，并將其轉(zhuǎn)化為液體的表面張力值。

圖1為表面張力儀工作系統(tǒng)示意圖。硬件方面主要包括樣品臺(tái)、升降系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)力系統(tǒng)和微處理器。軟件方面由控制、分析專用軟件經(jīng)過微處理器的一系列運(yùn)算，將檢測(cè)到的微力轉(zhuǎn)化成表面張力值。由LCD數(shù)字顯示屏實(shí)時(shí)輸出表面張力值，如果需要，可通過RS232接口連接打印機(jī)，打印數(shù)據(jù)或經(jīng)計(jì)算機(jī)采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，準(zhǔn)確性高。

圖1表面張力儀系統(tǒng)示意圖

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1濃度對(duì)表面張力的影響

圖2為3、5、7、10、12℃下，陰離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖2可知，CTAB是比較優(yōu)良的表面活性劑，在低濃度下就能夠顯著降低溶液表面張力，在300 mg/kg-1時(shí)表面張力達(dá)到最低值，之后隨濃度增大，表面張力變化不大，因此CTAB的臨界膠束濃度CMC即在此濃度范圍附近。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，當(dāng)CTAB溶液達(dá)到CMC以后，表面張力值在14.5～23.5 mN/m之間。隨溫度變化，表面張力值相差較大。

圖2不同溫度下CTAB溶液表面張力隨濃度的變化

圖3為3、5、7、10、12℃下，非離子型表面活性劑P123溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖3可知，P123在低濃度下就能夠顯著降低溶液表面張力，在400 mg/kg時(shí)表面張力達(dá)到最低值，之后隨濃度增大，表面張力變化不大，因此CTAB的臨界膠束濃度CMC即在此濃度范圍附近。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，當(dāng)P123溶液達(dá)到CMC以后，表面張力值在40.5～45.5 mN/m之間。隨溫度變化，表面張力值相差較大。

圖4為3、5、7、10、12℃下，本實(shí)驗(yàn)自行合成的離子液體［HMIPS］Ss溶液的表面張力隨濃度變化示意圖。由圖4可知，該離子液體溶液不具有明顯的表面活性，不能顯著降低溶液表面張力。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，表面張力值在73.6～74.8 mN/m之間。隨溫度變化，表面張力值相差很小。

圖3不同溫度下P123溶液表面張力隨濃度的變化

圖4不同溫度下［HMIPS］Ss溶液表面張力隨濃度的變化

2.2溫度對(duì)表面張力的影響

圖5不同濃度的CTAB溶液表面張力隨溫度的變化

圖5為100、200、300、500、700、900 mg/kg濃度下，陰離子表面活性劑CTAB溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。由圖5可知，300 mg/kg溶液的表面張力曲線最低，說明該濃度的溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，隨溫度升高表面張力變化較大，整體上表面張力曲線呈波浪狀，出現(xiàn)拐點(diǎn)。6條曲線在3℃時(shí)均出現(xiàn)最低表面張力值，在5℃附近均出現(xiàn)波峰；100、500和900 mg/kg溶液在7℃附近時(shí)出現(xiàn)波谷，10℃附近再次出現(xiàn)波峰；200、300和700 mg/kg溶液在10℃附近出現(xiàn)波谷。

圖6為100、200、300、500、700、900 mg/kg濃度下，非離子表面活性劑P123溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。由圖6可知，隨濃度增大，溶液降低表面張力的能力逐漸增大，但各個(gè)濃度曲線差值不大，900 mg/kg濃度溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，整體上表面張力曲線幾乎呈直線狀，遵循隨溫度升高而表面張力降低的一般規(guī)律，斜率幾乎不變，未出現(xiàn)拐點(diǎn)，且相差較大，同一條曲線3℃和12℃表面張力值相差4.2～4.6 mN/m。

圖6不同濃度的P123溶液表面張力隨溫度的變化

圖7為100、300、500、700、900、1 200 mg/kg濃度下，本實(shí)驗(yàn)自行合成的離子液體［HMIPS］Ss溶液的表面張力隨溫度變化示意圖。在低溫區(qū)間內(nèi)300 mg/kg溶液的表面張力曲線最低，說明該濃度的溶液表面活性最強(qiáng)。在所測(cè)溫度范圍內(nèi)，整體上表面張力曲線遵循隨溫度升高而表面張力降低的一般規(guī)律，但相差不大，同一條曲線3℃和12℃表面張力值相差0.9～1.1 mN/m。

比較以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其中降低水合物溶液表面張力效果最好的為300 mg/kg CTAB，然后依次為500 mg/kg P123、300 mg/kg［HMIPS］Ss。對(duì)于同一種添加劑，其降低溶液表面張力的能力受到濃度以及溫度的影響，而其溶液降低水合物生成相平衡條件的最佳濃度與同一溫度區(qū)間內(nèi)降低自身表面張力效果最顯著的濃度相一致，即一種促進(jìn)劑溶液，在某濃度及溫度下表面張力愈小，降低水合物生成條件愈顯著。

圖7不同濃度的［HMIPS］Ss溶液表面張力隨溫度的變化

3、結(jié)論

水合物促進(jìn)技術(shù)的研究目前尚未深入，重點(diǎn)在于新型添加劑的開發(fā)，通過研究CTAB、P123、［HMIPS］Ss這幾種新型添加劑在不同濃度和溫度下對(duì)水合物溶液表面張力的影響，找到改善水合物生成條件的辦法，即降低溶液表面張力從而降低水合物的生成條件，為今后水合物促進(jìn)技術(shù)的研究提供了理論和數(shù)據(jù)支持。另外，應(yīng)該了解化學(xué)添加劑特殊的分子結(jié)構(gòu)對(duì)水合物生成的影響，有針對(duì)性地合成新型的水合物生成促進(jìn)劑。例如合成以HMIPS基團(tuán)為前體的十二烷基苯磺酸鹽（［HMIPS］SDBS），使之同時(shí)具有離子液體和表面活性劑的作用機(jī)理，相信會(huì)比單一添加劑的促進(jìn)效果更加優(yōu)良。