鹽化工中陰離子雙子表面活性劑溶液的黏度及流變性研究

李駿

摘 ?要：隨著NaCl和苯甲酸鈉濃度的增大，溶液的黏度均降低。同時(shí)NaCl和KCl、苯甲酸鈉和乙酸鈉都不具備協(xié)同增黏效應(yīng)。用NaCl和KCl濃度的增加，溶液的油水界面張力增加，然后再下降，和KCl的效果更顯著。苯甲酸鈉和乙酸鈉將提高溶液的油水界面張力。當(dāng)濃度為0.5%時(shí)，溶液的油水界面張力達(dá)到0.605mN/m和0.901mN/m，溶液的界面張力不能保持在超低水平。

關(guān)鍵詞：粘彈流體;陰離子表面活性劑;黏度;粘彈性

1背景技術(shù)

1.1 發(fā)展趨勢(shì)

目前研究者對(duì)于陰離子雙子表面活性劑的研究仍處于起步階段，更多的研究尚集中于陽離子雙子表面活性劑上。而陰離子雙子表面活性劑在一些方面更具優(yōu)勢(shì)，它可以降低活性劑在地層的吸附損失及減小對(duì)儲(chǔ)層滲透率的傷害，同時(shí)它對(duì)Ca2+、高礦化度環(huán)境的適應(yīng)性更好。同時(shí)雙子表面活性劑在三次采油領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，保持低的界面張力是提升采收率額重要方法，隨著活性劑的加入，溶液界面張力呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì);雙子表面活性劑結(jié)構(gòu)中碳鏈所含碳原子數(shù)越少，其界面活性劑越低;向活性劑溶液中加入無機(jī)鹽，如NaCl，可有效降低油水界面張力。研究發(fā)現(xiàn)，無機(jī)鹽對(duì)溶液黏度的影響與其的加量有關(guān)，如NH4Cl等在和合理的加量范圍內(nèi)會(huì)提高溶液的黏度。未來研究更趨向于在保證粘彈性表面活性劑黏度的條件下，并且在高鹽和高溫情況下，更大程度地降低界面能，達(dá)到更低的界面張力下，更多提高采收率的目的。據(jù)此，本論文將著重探討有機(jī)鹽（氯化鈉、氯化鉀）、無機(jī)鹽（苯甲酸鈉、乙酸鈉）對(duì)陰離子雙子表面活性劑黏度、粘彈性、油水界面張力的影響。

1.2粘彈性流體

粘彈性流體是粘彈性體的分支，具有和粘彈性體類似的性質(zhì)，粘彈性流體是一類既具有粘性也具有彈性的特殊流體。在定長(zhǎng)剪切流場(chǎng)中，粘彈性流體在外力的作用下會(huì)發(fā)生流動(dòng)和形變，當(dāng)撤掉外力后，這種流體會(huì)部分恢復(fù)或者隨時(shí)間恢復(fù)。粘彈性流體具有流變性，且比較復(fù)雜，逐漸成為石油領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與牛頓流體相比，粘彈性流體具有獨(dú)特的流變現(xiàn)象，如爬桿現(xiàn)象、擠出脹大現(xiàn)象、通信套管軸向流動(dòng)現(xiàn)象、虹吸現(xiàn)象等。

2 雙子表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)及分類

2.1雙子表面活性劑概述

表面活性劑具有親水親油的雙親性質(zhì)，是一種兩親物質(zhì)，其分子在溶液表面能定向排列，分子由親水基團(tuán)和親油基團(tuán)構(gòu)成。因此活性劑表現(xiàn)出了顯著的兩親性，它既可以溶于極性溶劑，也可以溶于表現(xiàn)出非極性的油相中。向水溶液中加入少量表面活性劑就可以顯著降低溶液體系的表面張力或油水（液相）界面張力。表面活性劑有許多特性，只有其分子中的親水親油比達(dá)到合適的比值才會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)良性能，因而受到廣泛關(guān)注，近些年來得到迅速發(fā)展。

2.2雙子表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)

雙子表面活性劑通常被稱之為雙生表面活性劑以及孿連表面活性劑等等，雙子表明 活性劑是一種具有低聚合特征的新型活性劑，也被稱之為Gemini表面活性劑。在雙子表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中，含有兩個(gè)疏水基（疏水鏈）和兩個(gè)親水基（近親水基），它們通過橋連基連接在一起后形成橋聯(lián)基團(tuán)。傳統(tǒng)型表面活性的單元結(jié)構(gòu)是由一個(gè)親水基和一個(gè)疏水基組成的單鏈結(jié)構(gòu)，相比而言，Gemini表面活性劑的單元結(jié)構(gòu)含有通過化學(xué)鍵連接在一起的兩個(gè)或兩個(gè)以上的雙親性分子的離子頭基，并且橋連基的介入使親水頭基之間連接的更加緊密，加大了疏水碳鏈之間的分子作用力，降低了活性劑親水基之間存在的排斥作用，由此可使活性劑具有更優(yōu)良的性能。雙子表面活性劑近年來已然成為國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的類型，作為一種新型活性劑，其成功研發(fā)和應(yīng)用使界面具有更好的性能，將油水界面張力控制在超低水平，由于這種新型活性劑具有兩個(gè)親水基團(tuán)，因而具有更高的表面活性，同時(shí)相較于傳統(tǒng)的表面活性劑而言，有著很低的Kraff（克拉夫特）點(diǎn)，較強(qiáng)的增溶作用和優(yōu)良的乳化性、耐溫抗鹽性能，在石油領(lǐng)域尤其是三次采油等方面有著很廣闊的應(yīng)用前景，因其特殊的分子結(jié)構(gòu)和許多優(yōu)異的性能，具有很高的應(yīng)用潛力，也被稱作“二十一世紀(jì)的表面活性劑”。

2.3雙子表面活性劑的分類

從分子結(jié)構(gòu)上看，雙子表面活性劑可視為有兩個(gè)單鏈表明活性劑通過橋聯(lián)集團(tuán)連接的聚集體，根據(jù)其帶的電荷種類和電荷的親水基團(tuán)，可分為Gemini陽離子型表面活性劑、Gemini陰離子以及兩性型表面活性劑等多種類型。其中，陽離子型表面活性劑就是其分子結(jié)構(gòu)中含有陽離子親水基團(tuán)的活性劑，在水溶液中解離時(shí)生成的表面活性劑離子帶正電荷，如銨鹽、季銨鹽型和季鏻鹽型等;陰離子型表面活性劑就是其分子結(jié)構(gòu)中的親水基團(tuán)由多種不同的陰離子集團(tuán)構(gòu)成，常見的這類活性劑包含磺酸鹽型、羧酸鹽型（在水中能夠電離出羧酸負(fù)離子）、磷酸鹽型、硫酸鹽脂型等。陰離子型表面活性劑在表面活性劑工業(yè)中發(fā)展最早，而且是產(chǎn)量最大品種最多的一類;非離子型表面活性劑在水溶液中不電離，即其分子在水溶液中不帶電性，受水中的礦化度影響比較，因而具有較穩(wěn)定的物理性質(zhì)，其親水性基團(tuán)主要由一定數(shù)量的醚基和羥基等集團(tuán)組成，兩性表明活性劑分子結(jié)構(gòu)中含有兩類不同類型的親水基團(tuán)，即親水基團(tuán)還有兩種不同電荷，在水中由于酸堿度的不同可以表現(xiàn)出兩種類型的電荷;由于疏水鏈的種類不同，兩性表面活性劑的種類較為豐富。它可以制備高效乳化劑，在超低的濃度下表現(xiàn)出很高的洗滌效率。

3 雙子表面活性劑結(jié)構(gòu)對(duì)其性能影響的研究進(jìn)展

表面活性劑最早被用于制作洗滌液，后來隨著產(chǎn)品商業(yè)化的逐步發(fā)展，人類科學(xué)技術(shù)的日益提高，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化工、能源、食品、紡織、皮革等行業(yè)，許多行業(yè)都離不開表面活性劑，因此其享有“工業(yè)味精”的稱號(hào)。人們對(duì)表面活性劑的研究始于上世紀(jì)七十年代，在上世紀(jì)七十年代初期，國(guó)外學(xué)者Buton等在實(shí)驗(yàn)室中合成了Gemini表面活性劑，并將其作為有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的催化劑，并研究了其分子結(jié)構(gòu)中聯(lián)結(jié)基團(tuán)對(duì)自身性能的影響。

溫度對(duì)大多數(shù)表面活性劑的溶解度有著不可忽略的影響，離子型表面膜活性劑溶解度的轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為Kraff點(diǎn)，非離子型表面活性劑溶解度轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為濁點(diǎn)。王楷燕等以異構(gòu)十三醇聚氧乙烯醚、順酐、丁二醇和亞硫酸氫鈉為原料合成4種陰-非離子雙子星座表面活性劑，并研究了溫度和表面張力之間的相關(guān)性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙子表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中如果含有異構(gòu)的烷基、聚醚鏈段以及雙子星座的結(jié)構(gòu)，水溶液的表面張力會(huì)得到顯著降低。

4 ?總結(jié)

研究得出了助劑對(duì)優(yōu)選低界面張力粘彈流體增粘劑GC18-2-18粘度及界面活性的影響結(jié)論：KCl濃度變化對(duì)GC18-2-18溶液粘度影響不明顯;增大NaCl、Na2CO3濃度，GC18-2-18溶液粘度均快速下降;苯甲酸鈉與乙酸鈉對(duì)GC18-2-18也不具備協(xié)同增粘作用。KCl、Na2CO3加量變化對(duì)其界面張力影響明顯，溶液處于低界面張力范圍（<3×10-2mN/m），含鹽量高于0.3%后，界面張力可達(dá)超低;隨苯甲酸鈉、乙酸鈉濃度增大，GC18-2-18溶液油水界面張力均增大，當(dāng)加入濃度為0.5%時(shí)，溶液無法滿足低界面張力要求。

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