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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 1789 次 發(fā)布時(shí)間:2022-10-12
在化學(xué)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(diǎn)決定其表面活性的提高受到限制。20世紀(jì)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(dú)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(dá)到超低油水界面張力,但在低礦化度下界面張力卻達(dá)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(qiáng),親油基團(tuán)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(jì)并合成了一種單親水基團(tuán)雙疏水基團(tuán)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(duì)其進(jìn)行了相關(guān)性能評(píng)價(jià)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(xiàn)和實(shí)驗(yàn)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(shí)間約為5小時(shí),產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá)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(shí)間約為8小時(shí),產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá)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(shí)間約為5小時(shí),產(chǎn)物產(chǎn)率可達(dá)80%。利用紅外光譜(IR)對(duì)GM-8進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。
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(duì)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)界面張力降低幅度大,當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí),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(dòng)態(tài)油水界面張力,發(fā)現(xiàn)溫度升高,瞬時(shí)油水界面張力降得更低,且界面張力達(dá)到平衡所需的時(shí)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(dāng)?shù)V化度達(dá)到50000mg/L時(shí),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(fù)配后的動(dòng)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(qiáng),且GM疏水鏈長度增加,其起泡體積和半衰期都有增強(qiáng)。
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(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng),濃度達(dá)到一定時(shí),穩(wěn)定指數(shù)趨于恒定;
③考察了礦化度變化對(duì)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(fù)配后對(duì)原油乳化穩(wěn)定性有促進(jìn)作用。





