新型表面活性剂的合成与性能研究
Research on Synthesis and Performance Evaluation of a Novel Surfactant

在化学驱三次采油技术中,需要大量表面活性剂.以往开发应用的表面活性剂为单亲水基单疏水链的两亲分子,该类分子的结构特点决定其表面活性的提高受到限制.20世纪90年代开始合成研究的一类新型结构的表面活性剂-双子(Gemini)表面活性剂呈现出许多传统型表面活性剂所不具备的优异性能,如高的表(界)面活性、低临界胶束浓度、耐盐性、与其他驱油助剂配伍性更好和高效的润湿性能,独特的流变性.双子表面活性剂在三次采油中被寄予厚望.然而有研究表明,双子表面活性剂在高矿化度下能达到超低油水界面张力,但在低矿化度下界面张力却达不到超低.其原因可能是低矿化度下双子表面活性剂亲水性太强,亲油基团不能很好地吸附于油滴表面,形成稳定的水包油乳状液,降低油水界面张力.本文研究的主要内容是从分子结构水平上设计并合成了一种单亲水基团双疏水基团的新型阴离子表面活性剂,减少双子表面活性剂的亲水性,调节其亲水亲油比值,并对其进行了相关性能评价研究.以马来酸酐、脂肪醇、双氧水、亚硫酸氢钠为原料,通过酯化反应、环氧化反应和加成反应合成了阴离子表面活性剂琥珀酸二酯磺酸钠.结合已有文献和实验探讨了各步反应的合成条件:①马来酸二酯,投料比为(n(马来酸酐):n(脂肪醇))=1:2.2;反应温度约130℃;催化剂为浓硫酸,反应时间约为5小时,产物产率可达90%.②环氧琥珀酸二酯,投料比为(n(马来酸二酯):n(双氧水))=1:3;反应温度约10℃;选择无水乙醇作反应溶剂,饱和氢氧化钠水溶液作催化剂,反应时间约为8小时,产物产率可达85%.③琥珀酸二酯磺酸钠,投料比为(n(环氧琥珀酸二酯):n(亚硫酸氢钠))=1:3;反应温度约60℃;选择二氯甲烷作反应溶剂.催化剂为四丁基溴化铵饱和溶液;反应时间约为5小时,产物产率可达80%.利用红外光谱(IR)对GM-8进行了结构表征,证明是所需结构产物.用吊片法测定了表面活性剂表面张力.实验结果表明:①GM-8和GM-10表面活性剂与SDS相比,表面张力更低且临界胶束浓更小,相差一个数量级.②GM-8表面张力随温度的增加而逐渐下降;③NaCl、CaCl2的浓度增加使得GM-8表面张力逐渐降低,且CaCl2对GM-8表面张力的影响明显比NaCl的影响大.依靠TX-500C全量程旋转滴界面张力仪测定了GM-8与GM-10表面活性剂与原油之间的界面张力.实验结果表明:①同等浓度的GM-8与GM-10表面活性剂与十二烷基硫酸钠相比界面活性更高,GM-10比GM-8界面张力低,可能是由于疏水链碳原子数的增多,使得油水界面吸附的表面活性剂分子更倾向于亲油,更容易吸附于油滴表面上,分子间排列更紧密,导致油水界面张力更低.②考察了不同浓度下GM-10的油水界面张力,发现,随着表面活性剂GM-10浓度的增大,油水界面张力逐渐降低,浓度低时界面张力降低幅度大,当浓度达到一定值时,界面张力渐渐趋于稳定.③考察了45℃和70℃下0.1%GM-10的动态油水界面张力,发现温度升高,瞬时油水界面张力降得更低,且界面张力达到平衡所需的时间更短.④考察了GM-10在不同的NaCl条件下的油水界面张力,发现随着矿化度的增加,GM-10的油水界面张力增大.当矿化度达到50000mg/L时,界面张力上升到10-1mN/m,表明GM-10在地矿化度下有较好的界面活性.⑤考察了OP-10与GM-10复配后的动态油水界面张力,发现非离子表面活性剂OP-10与阴离子表面活性剂GM-10复配后发挥出较好的协同效应,界面活性更高.表面活性剂泡沫性能测试实验表明:①GM-8和GM-10在起泡体积和泡沫半衰期都比SDS要好,泡沫性能强,且GM疏水链长度增加,其起泡体积和半衰期都有增强.②随着浓度的增大,GM-10的起泡体积和泡沫半衰期都增大;③表面活性剂GM-10的泡沫体积随温度的上升而增大,但半衰期逐渐减弱;④表面活性剂GM-10的泡沫体积和半衰期随NaC1含量的上升而略有下降,下降幅度不大,表明GM-10对NaC1有一定的抗盐能力.⑤表面活性剂GM-10的泡沫体积和泡沫半衰期随溶液中Ca2+离子含量的增大都有较明显的下降,表明GM-10受钙离子影响较大.表面活性剂乳化性能测试实验表明:①GM-8与GM-10均比十二烷基硫酸钠具有更好的乳化能力;②随溶液浓度的升高,GM-10乳化能力逐渐增强,浓度达到一定时,稳定指数趋于恒定;③考察了矿化度变化对表面活性剂GM-10原油乳化稳定性的影响,结果表明,乳化稳定性随着矿化度增加而降低,说明GM-10抗盐能力有限;④GM-10与OP-10复配后对原油乳化稳定性有促进作用.