磺酸鹽型高分子表面活性劑的制備及性能研究

費(fèi)貴強(qiáng)，謝萍浩，王海花，朱科，李菁熠

(陜西科技大學(xué) 陜西省輕化工助劑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021)

石油作為重要的能源，它的短缺將限制世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。開(kāi)采原油一般分三個(gè)階段：一次采油、二次采油和三次采油(EOR)。在眾多EOR技術(shù)里，化學(xué)驅(qū)具有較高的性?xún)r(jià)比，日益受到科研人員的重視，表面活性劑作為化學(xué)驅(qū)的核心要素逐漸成為EOR的研究熱點(diǎn)[1-4]。磺酸鹽型表面活性劑因其具有較高的界面活性、良好的潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)性、較好的乳化性、較強(qiáng)的耐鹽性，成為科研人員研究的重點(diǎn)[5-10]。

本文使用2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、苯乙烯(St)、丙烯酸丁酯(BA)和丙烯酸十六酯(HA)，合成了一系列磺酸鹽型高分子表面活性劑。并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了考察。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸丁酯(BA)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、過(guò)氧化二苯甲酰(BPO)、過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)、三乙胺(TEA)均為分析純；丙烯酸十六酯(HA)、苯乙烯(St)、十二硫醇均為化學(xué)純；人造巖心(Φ25 mm×60 mm)；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

Vector-22型紅外光譜儀；非稀釋型烏氏粘度計(jì)；DCAT21型全自動(dòng)表面張力儀；TX-500C全量程旋轉(zhuǎn)滴表/界面張力儀；ZEN3690型納米粒度表面電位分析儀；M1204分析天平。

1.2 磺酸鹽型高分子表面活性劑的合成

SPS系列高分子表面活性劑的合成路線(xiàn)如下：

將反應(yīng)所需要的一部分單體和助溶劑(DMF)加入到三口瓶中，邊攪拌邊將溫度升高至95 ℃，然后向三口瓶中滴加引發(fā)劑溶液(BPO、TBPB和 DMF 的混合物)，控制滴加的時(shí)間為 1 h，在 95 ℃下繼續(xù)反應(yīng) 3 h，保溫1 h，然后在攪拌下將體系降溫至60 ℃，加入與AMPS摩爾比為1∶1的三乙胺與體系中和，攪拌30 min，最終產(chǎn)物為黃色半透明且具有一定黏度的體系，即制備了磺酸鹽型高分子表面活性劑(SPS)。將制得的SPS-n系列高分子表面活性劑在乙醚中進(jìn)行沉析，可以得到初提純的高分子表面活性劑。將得到的初提純的SPS-n系列高分子表面活性劑溶于甲醇，然后將SPS-n系列高分子表面活性劑的甲醇溶液在乙醚中進(jìn)行沉析，反復(fù)溶解、沉析至少3次，最后將沉析物于 50 ℃下真空干燥，即得到純化的SPS-n系列高分子表面活性劑[11]。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1.3.1 紅外光譜(FTIR)表征 使用紅外光譜儀對(duì)SPS-n系列高分子表面活性劑進(jìn)行測(cè)定，采用涂膜法，測(cè)試溫度為25 ℃。

1.3.2 分子量表征 采用一點(diǎn)法，以NaCl(1 mol/L)水溶液為標(biāo)樣溶劑，在恒溫30 ℃條件下，用非稀釋型烏氏粘度計(jì)測(cè)定SPS-n水溶液(0.3%)粘度，通過(guò)時(shí)間比確定SPS-n特性粘數(shù)(η)，以此表征分子量[12]。

1.3.3 表面張力的測(cè)試 采用全自動(dòng)表面張力儀測(cè)定SPS-n系列高分子表面活性劑的表面張力(γ)，利用吊片法測(cè)定，臨界膠束濃度cmc和最低表面張力(γcmc)的測(cè)定方法為：以γ對(duì)產(chǎn)物濃度(c)的對(duì)數(shù)作圖，拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)數(shù)值為cmc和γcmc[13-15]。

1.3.4 粒徑測(cè)試 在溫度為25 ℃的條件下測(cè)定SPS-n系列高分子表面活性劑溶液的聚集體粒徑及其分布，表面活性劑溶液濃度為1 g/L。

1.3.5 乳化性能測(cè)試 將高分子表面活性劑的水溶液(濃度為3 g/L)和模擬油(原油和煤油的質(zhì)量比為6∶4)按照體積比1∶1(5 mL∶5 mL)的比例裝入試管，用力振蕩50次，記錄分離出1 mL水的時(shí)間。

1.3.6 界面張力測(cè)試 在50 ℃的條件下對(duì)濃度為3 g/L的SPS-n系列高分子表面活性劑的礦化水溶液進(jìn)行降低油/水界面張力能力測(cè)試。礦化水的礦化度為50 000 mg/L。實(shí)驗(yàn)用油為航空煤油。

1.3.7 驅(qū)油性能測(cè)試 配制0.3%SPS-n系列高分子表面活性劑溶液，將煤油飽和過(guò)的巖心浸泡在高分子表面活性劑溶液中，掛在分析天平上，根據(jù)公式計(jì)算驅(qū)油效率。

式中R——巖樣在t時(shí)刻的驅(qū)油效率，%；

Δm——t時(shí)刻的巖樣質(zhì)量的增加，g；

ρw——實(shí)驗(yàn)用水密度，g/cm3；

ρ0——模擬油密度，g/cm3；

m0——巖樣的飽和增加油的重量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

圖1為SPS-n的紅外光譜圖。

圖1 SPS-n的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra of SPS-n polymer surfactants

2.2 相對(duì)分子量

SPS-n系列高分子表面活性劑的特性黏數(shù)和相對(duì)分子量見(jiàn)表1。

表1 不同HA添加量SPS-n高分子表面活性劑分子量變化Table 1 Molecular weight change of SPS-n surfactants with different additions of HA

由表1可知，隨著疏水單體HA添加量的增加，SPS-n系列高分子表面活性劑的分子量逐步增加，這是由于HA中碳碳雙鍵受酯基電荷吸附，導(dǎo)致鍵能降低，隨著HA加量增多，產(chǎn)生高活性自由基增加，鏈增長(zhǎng)所需活性體增加，分子鏈增長(zhǎng)迅速，鏈轉(zhuǎn)移概率降低，分子量增大。SPS-n系列高分子表面活性劑的相對(duì)分子量都在106這個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)，在一定誤差范圍可達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果，屬于高分子表面活性劑。

2.3 表面性能

圖2為25 ℃時(shí)SPS系列高分子表面活性劑的表面張力隨其濃度的變化曲線(xiàn)。

圖2 SPS-n表面張力與濃度關(guān)系Fig.2 Relationship between surface tension andconcentration of SPS series polymer surfactants

由圖2可知，SPS系列高分子表面活性劑的表面張力隨著濃度的增大而降低，在降低到一定值后，溶液的表面張力隨濃度的增加變化不大，把這個(gè)濃度叫做表面活性劑的臨界膠束濃度，即cmc值，表面張力不變的原因是當(dāng)表面活性劑的濃度在cmc以下時(shí)，溶液中大多是單獨(dú)存在的表面活性劑分子，當(dāng)溶液濃度增加時(shí)，溶液表面的吸附量也會(huì)增加，表面容納分子的空間下降，因此表面張力不變[14]。SPS-n的cmc值可以通過(guò)兩條直線(xiàn)的交點(diǎn)來(lái)確定。

由圖2可知，隨著疏水單體HA用量的增加，SPS-n系列高分子表面活性劑溶液的表面張力逐漸減小，這表明SPS-n系列高分子表面活性劑降低溶液表面張力的能力隨疏水單體用量增加明顯增加。這是因?yàn)殡S著HA含量的增加，表面活性劑的親水鏈段含量相對(duì)減少，表面活性劑的親水性降低，表面活性劑分子離開(kāi)溶液本體相進(jìn)入空氣/水界面變得容易，使得SPS-n系列高分子表面活性劑降低溶液表面張力的能力和效率提高。

表2 25 ℃時(shí)SPS-n系列高分子表面活性劑表面活性參數(shù)Table 2 Surface activity parameters of SPS-n series polymer surfactants at 25 ℃

由表2可知，隨著HA含量增加cmc值逐漸降低，表面張力亦隨之降低，這是由于HA的添加量越大，聚合上的長(zhǎng)碳鏈就越多，表面活性劑越易團(tuán)聚成膠束，且其聚集數(shù)也會(huì)增加，使得表面活性劑的cmc值減小[16]。

2.4 粒徑分析

圖3為SPS系列高分子表面活性劑在水溶液中形成的聚集體膠束的粒徑及分布圖。表面活性劑膠束的形成，主要原因是由于疏水鏈段作為驅(qū)動(dòng)力驅(qū)使聚合分子在水中締合成以疏水為內(nèi)核、以親水基團(tuán)為殼的膠束，在締合的過(guò)程當(dāng)中，膠束會(huì)不斷的締合與解締合，整個(gè)過(guò)程為一個(gè)可逆的過(guò)程[17-18]。

由圖3可知，SPS系列高分子表面活性劑的粒徑隨著HA的添加量增加而增大，在HA含量較低時(shí)，疏水基團(tuán)締合點(diǎn)主要發(fā)生在分子內(nèi)，締合膠束體積小，粒徑小；當(dāng)HA含量增加時(shí)，高分子表面活性劑疏水基含量增加，疏水基團(tuán)主要為分子間締合，締合體積增大，導(dǎo)致粒徑增大。

圖3 SPS-n在水溶液中形成的膠束的粒徑及分布圖Fig.3 Particle size and distribution for SPS-n in water solution

2.5 乳化性能

圖4是SPS-n溶液與模擬油乳化后油水分離所需的時(shí)間對(duì)比。

圖4 SPS-n的乳化性Fig.4 Emulsifying property of SPS-n

由圖4可知，在SPS-n油/水系統(tǒng)中，SPS-3分離出1 mL水所需的時(shí)間最少，需要60 min，隨著HA含量的增加，分離出1 mL水所需時(shí)間逐漸增加，說(shuō)明長(zhǎng)碳鏈HA的加入能有效提高SPS-n系列表面活性劑的乳化性能。這是因?yàn)椋S著HA含量的增加，表面活性劑親油基團(tuán)相對(duì)增多，根據(jù)相似相溶，疏水基團(tuán)更容易插入原油中，通過(guò)強(qiáng)的吸附力附著在原油表面，在外力作用下將原油包裹，形成穩(wěn)定的乳化液。此外，長(zhǎng)碳鏈HA含量越多，表面活性劑溶液更加容易形成膠束，使得SPS-n系列高分子表面活性劑在相同的濃度下形成的疏水區(qū)域有效增加，有利于更多的小油滴增溶到表面活性劑溶液中，以達(dá)到形成穩(wěn)定的油/水系統(tǒng)從而達(dá)到乳化的目的。但是當(dāng)HA含量過(guò)多時(shí)，比如SPS-11，表面活性劑中親水基團(tuán)含量過(guò)少，使得表面活性劑的水溶性變差，對(duì)小油滴的增溶能力下降。由圖4可知，在SPS-9的油/水系統(tǒng)中，分離出1 mL水所需要的時(shí)間為240 min，說(shuō)明SPS-9乳化效果良好，乳液穩(wěn)定性高。

2.6 界面張力

圖5為3 g/L的SPD-n系列高分子表面活性劑油/水界面張力與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)。

圖5 SPS-n油/水界面張力和時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between oil and waterinterfacial tension of SPS-n

由圖5可知，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，界面張力逐漸降低，并逐漸趨于穩(wěn)定；隨著長(zhǎng)碳鏈HA添加量的增加，SPS-n降低油/水界面張力的能力先是逐漸增強(qiáng)，然后又降低。這是因?yàn)椋L(zhǎng)碳鏈單體HA含量的增加，表面活性劑分子中親油基團(tuán)含量相對(duì)增加，表面活性劑分子更容易團(tuán)聚成膠束，有利于油滴的增溶性的提高，使得界面性能增強(qiáng)。但是HA的含量過(guò)多時(shí)，表面活性劑分子內(nèi)親水基團(tuán)含量就會(huì)相對(duì)減少，表面活性劑在水中的溶解性能變差，界面性能就會(huì)變差，所以界面張力升高。SPS-7高分子表面活性劑只用18 min就可以將界面張力降至0.003 5 mN/m，達(dá)到超低界面張力，此時(shí)表面活性劑分子就可以使得油滴通過(guò)狹小孔道的阻力降低，提高洗油效率。因此，SPS-n系列高分子表面活性劑具有良好的界面性能，可以應(yīng)用于驅(qū)油方面。

2.7 驅(qū)油性能

由圖6可知，加入SPS-n系列高分子表面活性劑驅(qū)油效率均高于清水的驅(qū)油效率，并且隨著時(shí)間延長(zhǎng)，驅(qū)油效率逐漸增加；清水條件下，當(dāng)時(shí)間超過(guò)50 h后，驅(qū)油效率增長(zhǎng)趨于水平，高分子表面活性劑在時(shí)間>125 h后，驅(qū)油效率增長(zhǎng)緩慢。由此可以得出，表面活性劑驅(qū)油效率要顯著高于清水的驅(qū)油效率，這說(shuō)明加入了表面活性劑可以提高驅(qū)油效率，這可能是因?yàn)楸砻婊钚詣?duì)巖石的潤(rùn)濕作用，SPS-n表面活性劑進(jìn)入巖石微孔隙，表面活性劑的疏水基插入巖層表面油滴，在強(qiáng)吸附力作用下對(duì)油滴進(jìn)行剝離，從而達(dá)到良好的驅(qū)油效果。此外，隨著HA添加量的增加，SPS-n系列高分子表面活性劑溶液的驅(qū)油效率逐漸增加，這可能是因?yàn)槭杷畣误w含量增加，高分子表面活性劑的疏水基對(duì)原油的吸附力更強(qiáng)，與原油結(jié)合度更高，在流動(dòng)驅(qū)替過(guò)程原油更易從巖石表面剝離，因此提高驅(qū)油效率。

圖6 SPS-n表面活性劑驅(qū)油效率與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relation between the absorption efficiency andtime of SPS-n surfactants

3 結(jié)論

(1)以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、苯乙烯、丙烯酸丁酯、丙烯酸十六酯為原料，合成SPS-n系列高分子表面活性劑。通過(guò)FITR表征其結(jié)構(gòu)，并通過(guò)“一點(diǎn)法”測(cè)量了其分子量，在106數(shù)量級(jí)的范圍。

(2)表面張力結(jié)果表明，隨著長(zhǎng)碳鏈HA含量的增加，cmc逐漸降低，SPS-11的γcmc可低至33.019 mN/m，粒徑結(jié)果表明，HA添加量越大，表面活性劑越容易形成膠束。

(3)乳化結(jié)果表明，SPS-n系列高分子表面活性劑具有良好的乳化穩(wěn)定性，SPS-9的乳化性最好。SPS-7可以將油水界面張力降至0.003 5 mN/m。SPS-n系列高分子表面活性劑的驅(qū)油效率明顯高于水的驅(qū)油效率，最高可達(dá)38.5%。因此，SPS-n系列高分子表面活性劑可以作為一種高效環(huán)保的驅(qū)油劑應(yīng)用在油田化學(xué)品方面。