摘要介绍一个油田化学专业综合实验，通过该实验可了解Gemini表面活性剂的发展现状，掌握阳离子型Gemini表面活性剂BQAS的合成及纯化方法，了解结构表征的原理。

1991年，Menger等人[1]合成了以刚性基团连接离子头基的双烷烃链表面活性剂，并命名为Gemini表面活性剂，其结构如图1所示。Gemini表面活性剂通过联接基团将两个单链表面活性剂连接起来，减弱了离子头基间的静电斥力，增强了碳氢链间的疏水结合力，使表面活性剂分子在溶液表面排列得更紧密，具有更高的表面活性。Gemini表面活性剂在生命科学、材料科学、环境科学、纺织、金属防腐、3次采油等领域有广阔的应用前景。本文根据油田化学专业的特点设计了阳离子型Gemini表面活性剂的合成、表征及性能测定的综合实验。

1实验目的

了解Gemini表面活性剂的发展现状；于掌握阳离子型Gemini表面活性剂BQAS的合成及纯化方法；了解结构表征的原理和方法；掌握表面性能和缓蚀性能的评价方法。

2实验原理

目前，季铵盐型Gemini表面活性剂的合成方法主要有以下几种:

用基团连接两个单长链烷烃二甲基叔胺分子；

于在已有的N，N，N忆，N忆-四甲基烷基二胺中引入疏水基；

以含有环氧基团的长链烷基化合物与叔胺发生季铵化反应，制得双烷基双亲水基阳离子型表面活性剂；

特殊结构阳离子型Gemini表面活性剂的合成:联接基团结构特殊、疏水基团特殊、非对称阳离子型Gemini表面活性剂、多烷基多季铵盐型Gemini表面活性剂的合成。

本实验采用第一种方法，以N，N-二甲基十二烷基叔胺和1，4-二溴丁烷反应，制备双季铵盐型Gemini表面活性剂BQAS。

表面张力的测定方法通常有:铂金板法、铂金环法、滴体积法、最大气泡压力法等。本实验采用铂金板法测定表面活性剂水溶液的表面张力。

测定中，当铂金板浸入被测液体后，铂金板周围就会受到表面张力的作用，液体的表面张力会将铂金板尽量地往下拉。当液体表面张力及其他相关的力与平衡力达到均衡时，铂金板就会停止向液体内部浸入，这时候，仪器的平衡感应器就会测量浸入深度，并将其转换为液体的表面张力值。

F(平衡力)=mg(铂金板的重力)+L酌cos兹(表面张力总和)-Sh籽g(铂金板受到的浮力)式中m为铂金板的质量，g为重力加速度，L为铂金板的周长，酌为液体的表面张力，兹为液体与铂金板之间的接触角，S为铂金板横切面面积，h为铂金板浸入的深度，籽为液体密度。

根据Gibbs吸附等温式及表面活性剂的酌-lgc曲线，可求得吸附量祝:

式中L为阿伏伽德罗常数。

酸化是油气田增产增注的重要措施之一，在石油工业中得到了广泛的应用。酸化使用的酸液注入地层的过程会严重腐蚀地面管道及井筒管壁，而且Fe3+会对地层产生永久损害，所以酸液中必须加入缓蚀剂。本实验参照《酸化用缓蚀剂性能试验方法及评价指标》，采用静态挂片法，对已提纯的合成产物BQAS进行缓蚀性能研究。挂片法是在实验室给定条件下，通过用试片的质量损失计算出腐蚀速率和缓蚀率，来研究缓蚀剂缓蚀性能的方法。

腐蚀速率计算公式为:

3仪器与试剂

仪器:NEXUS470傅立叶红外光谱仪，Bruker AVANCE III核磁共振仪，R-1002旋转蒸发仪，WRS-1B数字熔点仪，DZ-2BC真空干燥箱，JJ-1电动搅拌器，恒温水浴锅，JK99B自动张力仪，BS-210S电子天平，干燥器，N80钢片(长伊宽伊高=40mm伊13mm伊2mm)，医用纱布，毛刷，医用金属镊子，脱脂棉，绸子，铁砂纸，250mL三口烧瓶1只，回流冷凝管等。

试剂:N，N-二甲基十二烷基叔胺(AR)，1，4-二溴丁烷(AR)，乙腈(AR)，乙酸乙酯(AR)，无水乙醇，石油醚(AR)，丙酮(AR)，盐酸(AR)等。

4实验步骤

4.1双季铵盐BQAS的合成及纯化步骤

按物质的量比2.15:1取一定量的N，N-二甲基十二烷基胺和二溴丁烷，溶于一定量的乙腈溶剂，置于干燥的三口烧瓶中，升温至回流温度反应24h，减压蒸除溶剂。以混合溶剂(V(无水乙醇):V(乙酸乙酯)=1:5)重结晶2~3次，将所得白色固体在60益真空干燥，称重后计算产率。

4.2双季铵盐BQAS的结构表征

用WRS-1B数字熔点仪测定所得产物熔点；用NEXUS470傅立叶红外光谱仪(KBr压片)、BrukerAVANCE III核磁共振仪对所得产物进行结构表征。

4.3溶液表面张力的测定

配置一系列不同浓度(10-5~10-2mol/L)的BQAS溶液，25益恒温下用铂金环法测定上述溶液的表面张力，绘制酌-lgc图；按转折点两侧直线部分外延，相交点的数据得到临界胶束浓度(cmc)和临界胶束浓度下的表面张力酌cmc。

4.4缓蚀性能评价

4.4.1钢片预处理步骤

脱脂:将钢片放入装有石油醚的瓷瓶中，用尖端缠有脱脂棉的镊子擦洗两遍，脱脂除污。于脱油:将经上述步骤处理的钢片用丙酮浸泡5min脱油。脱水:经上述步骤处理的钢片用无水乙醇浸泡5~10min脱水。干燥:取出钢片，用清洁的绸子擦拭，用冷风吹干。将已擦拭吹干的钢片依次用定性滤纸包装，置于干燥器中干燥10h以上，然后用分析天平称重，精确至0.1mg。经处理后的钢片，不可用手直接接触或受机械损伤及污染。

4.4.2实验步骤

配置不同BQAS浓度(0~250mg/L)的6%盐酸溶液各200mL。在溶液中挂入处理过的钢片，密封，并放入60益水浴锅中。挂片4h后，从酸液中取出钢片，立即用清水冲洗，去除酸液和疏松的腐蚀产物。

用毛刷和纱布擦拭钢片表面的腐蚀产物，然后用自来水冲洗干净，用医用纱布擦干。将钢片依次放入石油醚、丙酮、无水乙醇中各浸泡5min，取出钢片用绸子擦拭，然后用冷风吹干，放入干燥器中干燥4h以上。在分析天平上准确称重(精确至0.1mg)并记录。

5数据处理