煤基α-烯基磺酸鈉的制備及性能

袁 華，孫向前，馮光華，董國如，曹圣悌，霍月青，劉曉臣，牛金平

（1.國家能源集團寧夏煤業集團有限公司，寧夏銀川 750004；2.中國日用化學研究院有限公司，山西太原 030001）

α-烯基磺酸鈉（簡稱AOS）是以α-烯烴為原料，經SO3磺化、中和、水解得到的一類陰離子表面活性劑，具有良好的發泡、去污和抗硬水能力，在民用及工業領域均有廣泛的應用［1-6］。國內市場上的AOS 碳鏈長度一般為C14～16，所用的α-烯烴采用乙烯齊聚法制得，全部依賴進口。煤制油費托合成產物中含有約50%的α-烯烴［7］，用于制備AOS，一方面可以提高費托合成產物的附加值，另一方面也可以降低對國外原料的依賴程度。

本研究以費托合成產物C14～16和C17～20餾分段為原料，制備相應的AOS（煤基C1416AOS 和煤基C1720AOS），測定其基本的物化性能，以期為實際應用提供相應的基礎數據。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

試劑：費托合成產物C14～16餾分段、C17～20餾分段（組成如表1 所示，工業級，寧夏煤業集團煤炭化學工業技術研究院），超低界面張力驅油劑（UST，工業級，中國日用化學研究院有限公司）。

表1 費托合成產物組成

儀器：K12 型表面張力儀、BP100 型動態表面張力儀、DSA25 型接觸角儀（德國Krüss 公司），TX-500C旋轉滴界面張力儀（美國CNG 公司）。

1.2 煤基AOS的制備

采用實驗室氣體SO3膜式磺化裝置制備煤基AOS，反應方程式［1］如下：

費托合成產物主要是烷烴/烯烴混合物，其中烷烴屬于不可磺化物，殘留在AOS 粗產物中，采用石油醚萃取除去粗產物中的烷烴和少量未反應的烯烴，即得到目標產物。采用氣相色譜對石油醚溶解物進行分析，烯烴轉化率大于98%。

1.3 測試

平衡表面張力：用去離子水配制一定質量濃度的AOS 水溶液，室溫靜置24 h，采用平衡表面張力儀測量，測定溫度（25.0±0.1）℃。

動態表面張力：用去離子水配制1 g/L 的AOS 水溶液，室溫靜置24 h，采用動態表面張力儀測量，測定溫度（25.0±0.1）℃。

泡沫性能：參照GB/T 7462—1994《表面活性劑發泡力的測定改進Ross-Miles 法》進行測試。用去離子水配制1 g/L 的AOS 水溶液，在（25.0±1.0）℃下測定。每個樣品重復測定3次，取平均值。

潤濕性：參照GB/T 11983—2008《表面活性劑潤濕力的測定浸沒法》進行測試。用去離子水配制1 g/L的AOS 溶液，在（25.0±1.0）℃下測定。每個樣品重復測定10次，取平均值。

接觸角：用去離子水配制1 g/L 的AOS 水溶液，采用接觸角測量儀測定，測試溫度（25.0±1.0）℃。

界面張力：采用界面張力儀測量表面活性劑水溶液與勝利油田原油之間的界面張力（IFT）。表面活性劑質量濃度3.0 g/L（模擬礦化水配制，組成如表2所示），溫度70 ℃，密度差0.1。

表2 勝利油田地層水組成

2 結果與討論

2.1 結構表征

由圖1a 可知，m/z=261、275、289、303 分別為C13、C14、C15、C16烯基磺酸鈉，m/z=279、293、307、321分別為C13、C14、C15、C16羥基磺酸鈉，m/z=251、265 分別為C11、C12脂肪醇硫酸鈉，說明原料中含有少量脂肪醇。由圖1b 可知，m/z=317、331、345、359 分別為C17、C18、C19、C20烯基磺酸鈉，m/z=335、349、363、377 分別為C17、C18、C19、C20羥基磺酸鈉。

2.2 平衡表面張力

由圖2、表3 可知，煤基C1416AOS 的cmc 大于煤基C1720AOS，這是由于后者疏水鏈更長，分子間疏水作用力更強，有利于膠束的形成；煤基C1416AOS 的γcmc大于煤基C1720AOS，這是由于煤基C1720AOS 在氣/液界面吸附時發生了碳鏈卷曲，使得裸露的—CH3密度降低，不利于表面張力的降低。

表3 AOS 的cmc 和γcmc

2.3 動態表面張力

由圖3 可以看出，在初始階段，即t→0 時，煤基C1416AOS 的表面張力迅速降低至溶劑水的表面張力以下（降低速度很快以致于實驗未觀察到），而煤基C1720AOS 的表面張力則接近于溶劑水的表面張力；隨著時間的延長，兩者之間的表面張力差距減小，這說明AOS 的碳鏈長度對初始階段表面張力的降低存在顯著的影響，煤基C1720AOS 的疏水鏈比較長，其引起的分子卷曲、纏繞需要一個合適的構象才能排列在氣/液界面處［8］。

2.4 泡沫性能

泡沫是一種氣體分散于液體中的分散體系，在油田開采、滅火以及礦物浮選等領域均具有廣泛的應用。由圖4 可以看出，煤基C1416AOS 的泡沫體積要高于煤基C1720AOS，這是由于煤基C1720AOS 疏水碳鏈長，在氣/液界面吸附速度慢，不利于泡沫的形成。

2.5 潤濕性

潤濕作用在紡織、涂料等領域具有廣泛應用，對于紡織物，潤濕速度是評判表面活性劑溶液對織物潤濕性能的重要指標。煤基C1416AOS 的潤濕時間為19 s，短于煤基C1720AOS 的潤濕時間（36 s），這是由于煤基C1720AOS 疏水鏈長，分子體積大，在固/液界面需要采取合適的構象才能吸附，即吸附能壘高于煤基C1416AOS，與其在氣/液界面的吸附類似。

2.6 與原油間的界面張力

在三次采油中，油/水界面張力（IFT）是一項重要的技術指標，通常要求達到超低（小于10-2mN/m）。由圖5 可以看出，IFT 按照煤基C1416AOS、煤基C1720AOS、UST 的順序依次降低。其中UST 與勝利油田原油間的最小IFT（IFTmin）為0.014 mN/m，接近于10-3mN/m。UST 是由中國日用化學研究院有限公司開發的超低界面張力驅油劑，具有對NaCl 濃度、稀釋以及烷烴數不敏感的特點［9］。

由圖6 可知，煤基AOS/UST 復配體系在降低IFT方面呈現協同效應，煤基C1416AOS/UST=95/5 時，IFTmin達到超低，煤基C1720AOS/UST=95/5、90/10 時，IFTmin達到超低；煤基C1720AOS/UST 復配體系達到超低IFTmin的復配比例寬于煤基C1416AOS/UST。

2.7 接觸角

由圖7 可以看出，煤基C1416AOS 在聚四氟乙烯膜上的動態接觸角小于煤基C1720AOS，這可能是由于煤基C1416AOS 的氣/液界面張力低于C1720AOS，根據楊氏方程，低表面張力有利于接觸角的降低。

3 結論

（1）以費托合成產物中的α-烯烴為原料，采用實驗室SO3膜式磺化裝置制備了兩種不同碳鏈長度的AOS（煤基C1416AOS和煤基C1720AOS）。

（2）與煤基C1720AOS 相比，煤基C1416AOS 的碳鏈長度增加后，cmc 和泡沫體積減小，cmc 處的表面張力、吸附初始階段的動態表面張力、潤濕時間以及接觸角增加，與勝利油田原油間的界面張力達到超低的復配比例變寬。