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新型表面活性劑的合成與性能研究

來源:歐陽向南 瀏覽 727 次 發(fā)布時間:2022-10-12

在化學驅(qū)三次采油技術(shù)中,需要大量表面活性劑。以往開發(fā)應(yīng)用的表面活性劑為單親水基單疏水鏈的兩親分子,該類分子的結(jié)構(gòu)特點決定其表面活性的提高受到限制。20世紀90年代開始合成研究的一類新型結(jié)構(gòu)的表面活性劑-雙子(Gemini)表面活性劑呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)型表面活性劑所不具備的優(yōu)異性能,如高的表(界)面活性、低臨界膠束濃度、耐鹽性、與其他驅(qū)油助劑配伍性更好和高效的潤濕性能,獨特的流變性。


雙子表面活性劑在三次采油中被寄予厚望。然而有研究表明,雙子表面活性劑在高礦化度下能達到超低油水界面張力,但在低礦化度下界面張力卻達不到超低。其原因可能是低礦化度下雙子表面活性劑親水性太強,親油基團不能很好地吸附于油滴表面,形成穩(wěn)定的水包油乳狀液,降低油水界面張力。


本文研究的主要內(nèi)容是從分子結(jié)構(gòu)水平上設(shè)計并合成了一種單親水基團雙疏水基團的新型陰離子表面活性劑,減少雙子表面活性劑的親水性,調(diào)節(jié)其親水親油比值,并對其進行了相關(guān)性能評價研究。以馬來酸酐、脂肪醇、雙氧水、亞硫酸氫鈉為原料,通過酯化反應(yīng)、環(huán)氧化反應(yīng)和加成反應(yīng)合成了陰離子表面活性劑琥珀酸二酯磺酸鈉。


結(jié)合已有文獻和實驗探討了各步反應(yīng)的合成條件:


①馬來酸二酯,投料比為(n(馬來酸酐):n(脂肪醇))=1:2.2;反應(yīng)溫度約130℃;催化劑為濃硫酸,反應(yīng)時間約為5小時,產(chǎn)物產(chǎn)率可達90%。


②環(huán)氧琥珀酸二酯,投料比為(n(馬來酸二酯):n(雙氧水))=1:3;反應(yīng)溫度約10℃;選擇無水乙醇作反應(yīng)溶劑,飽和氫氧化鈉水溶液作催化劑,反應(yīng)時間約為8小時,產(chǎn)物產(chǎn)率可達85%。


③琥珀酸二酯磺酸鈉,投料比為(n(環(huán)氧琥珀酸二酯):n(亞硫酸氫鈉))=1:3;反應(yīng)溫度約60℃;選擇二氯甲烷作反應(yīng)溶劑。催化劑為四丁基溴化銨飽和溶液;反應(yīng)時間約為5小時,產(chǎn)物產(chǎn)率可達80%。利用紅外光譜(IR)對GM-8進行了結(jié)構(gòu)表征,證明是所需結(jié)構(gòu)產(chǎn)物。用吊片法測定了表面活性劑表面張力。


實驗結(jié)果表明:


①GM-8和GM-10表面活性劑與SDS相比,表面張力更低且臨界膠束濃更小,相差一個數(shù)量級。


②GM-8表面張力隨溫度的增加而逐漸下降;


③NaCl、CaCl2的濃度增加使得GM-8表面張力逐漸降低,且CaCl2對GM-8表面張力的影響明顯比NaCl的影響大。依靠TX-500C全量程旋轉(zhuǎn)滴界面張力儀測定了GM-8與GM-10表面活性劑與原油之間的界面張力。


實驗結(jié)果表明:


①同等濃度的GM-8與GM-10表面活性劑與十二烷基硫酸鈉相比界面活性更高,GM-10比GM-8界面張力低,可能是由于疏水鏈碳原子數(shù)的增多,使得油水界面吸附的表面活性劑分子更傾向于親油,更容易吸附于油滴表面上,分子間排列更緊密,導致油水界面張力更低。


②考察了不同濃度下GM-10的油水界面張力,發(fā)現(xiàn),隨著表面活性劑GM-10濃度的增大,油水界面張力逐漸降低,濃度低時界面張力降低幅度大,當濃度達到一定值時,界面張力漸漸趨于穩(wěn)定。


③考察了45℃和70℃下0.1%GM-10的動態(tài)油水界面張力,發(fā)現(xiàn)溫度升高,瞬時油水界面張力降得更低,且界面張力達到平衡所需的時間更短。


④考察了GM-10在不同的NaCl條件下的油水界面張力,發(fā)現(xiàn)隨著礦化度的增加,GM-10的油水界面張力增大。當?shù)V化度達到50000mg/L時,界面張力上升到10-1mN/m,表明GM-10在地礦化度下有較好的界面活性。


⑤考察了OP-10與GM-10復配后的動態(tài)油水界面張力,發(fā)現(xiàn)非離子表面活性劑OP-10與陰離子表面活性劑GM-10復配后發(fā)揮出較好的協(xié)同效應(yīng),界面活性更高。


表面活性劑泡沫性能測試實驗表明:①GM-8和GM-10在起泡體積和泡沫半衰期都比SDS要好,泡沫性能強,且GM疏水鏈長度增加,其起泡體積和半衰期都有增強。


②隨著濃度的增大,GM-10的起泡體積和泡沫半衰期都增大;


③表面活性劑GM-10的泡沫體積隨溫度的上升而增大,但半衰期逐漸減弱;


④表面活性劑GM-10的泡沫體積和半衰期隨NaC1含量的上升而略有下降,下降幅度不大,表明GM-10對NaC1有一定的抗鹽能力。


⑤表面活性劑GM-10的泡沫體積和泡沫半衰期隨溶液中Ca2+離子含量的增大都有較明顯的下降,表明GM-10受鈣離子影響較大。


表面活性劑乳化性能測試實驗表明:


①GM-8與GM-10均比十二烷基硫酸鈉具有更好的乳化能力;


②隨溶液濃度的升高,GM-10乳化能力逐漸增強,濃度達到一定時,穩(wěn)定指數(shù)趨于恒定;


③考察了礦化度變化對表面活性劑GM-10原油乳化穩(wěn)定性的影響,結(jié)果表明,乳化穩(wěn)定性隨著礦化度增加而降低,說明GM-10抗鹽能力有限;④GM-10與OP-10復配后對原油乳化穩(wěn)定性有促進作用。