威兰胶与脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠之间的相互作用

摘要

水溶性大分子聚合物与表面活性剂复合体系在实际应中已倍受关注。聚合物与表面活性剂的相互作用往往可使聚合物链的构象发生变化，同时，聚合物的存在可影响表面活性剂溶液的物理化学性质。表面活性剂和聚合物共存常常产生独特性质和功能，这些特性往往优于任一纯组分体系。因此，研究聚合物与表面活性剂的相互作用具有极其重要的意义，不仅可丰富胶体与界面科学的理论基础，而且可指导水溶性大分子与表面活性剂复合体系在生物、化学、医药、采矿和石油开发以及日常生活中的实际应用。尤其是在油田开发中，水溶性大分子常常用于聚合物驱、聚合物/表面活性剂二元复合驱和聚合物/表面活性剂/碱三元复合驱。聚合物与表面活性剂的相互作用将显著影响其应用效果。
　　 可再生的多糖具有天然、无毒、可持续、使用安全等诸多优点，其与表面活性剂间的相互作用既可以模拟天然生物大分子与表面活性剂相互作用的生命迹象，又可指导石油工业等生产中许多产品的配方设计。因此，有关多糖与表面活性剂复合体系的物化性质、多糖与表面活性剂形成的聚集体结构及相互作用机理等方面的研究已引起众多研究者的兴趣。阴-非离子表面活性剂兼具非离子型和阴离子型表面活性剂的优点，以其温和、安全、易生物降解和多功能型等特点，越来越受到人们的青睐。但是多糖与阴-非离子表面活性剂相互作用的研究尚不多见。本文运用表面张力、荧光探针及流变学等技术首先研究了威兰胶、黄原胶和脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(AES)各自的物化性质，然后考察了威兰胶、黄原胶与AES复合体系在表面、体相及起泡、稳泡方面的协同作用，期望通过我们的研究能够为威兰胶、AES及两者的复合体系在强化采油及其它工业应用中提供基础数据和理论指导。论文主要包括以下五部分的内容:
　　 论文第一章概述了微生物多糖的研究现状，综述了多糖与不同类型表面活性剂相互作用的研究进展，阐明了本论文的研究意义和目的。
　　 论文第二章系统地考察了浓度、温度和盐度对威兰胶水溶液流变性的影响，同时对比研究了相同条件下黄原胶的流变性质。实验结果表明:与黄原胶相比，威兰胶具有更好的增粘效果，更优异的抗剪切、抗温及抗盐性能;岩心驱替实验结果显示了威兰胶的驱油效率明显高于黄原胶。威兰胶和黄原胶溶液的流变行为的差异反映出威兰胶和黄原胶各自分子间相互作用机理的不同，威兰胶比黄原胶更容易形成双螺旋结构，而且双螺旋采取了一种和黄原胶不同的排列形式。由于分子内及分子间的吸引力，威兰胶相邻双螺旋间的排列类似于拉链一样平行排列，分子间的缠绕或交联程度增强，形成的网络结构更加牢固，能够抵抗更强的外加应力、温度及离子强度，因此，威兰胶水溶液具有更高的粘弹性，表现出更高的驱油效率。
　　 论文第三章研究了AES在不同无机盐、模拟地层水和模拟海水中的聚集行为。对AES/无机盐溶液表面活性及流变性的研究表明:无机盐能够促使AES形成蠕虫状胶束溶液，AES的EO基团在AES/无机盐胶束溶液的形成中起到了关键作用。相同浓度时，三种无机盐中AES降低表面张力的效率和能力为:CaCl2＞MgCl2＞NaCl;三种不同水介质中AES降低表面张力的效率和能力为:模拟海水＞模拟地层水＞纯水。AES/无机盐胶束溶液的稳态剪切粘度可用Cross经验方程描述。AES和无机盐的配比有一最佳值，此时体系的表观粘度最大，粘弹性最强。温度升高，AES/无机盐溶液的表观粘度及粘弹性降低，粘度较高的溶液剪切活化能较大。AES/无机盐溶液的动态粘弹性基本符合Maxwell模型，可以用Cole-Cole图较好地拟合。浓度相同时，Ca2+、Mg2+作用强于Na+;离子强度相同时，Na+的作用最强。无机盐对AES蠕虫状胶束的形成与反离子的水化半径和所带电荷数有关，而且后者占主导作用，同时，多价阳离子和AES的EO基团之间的络合作用也对AES胶束溶液的形成发挥了积极作用。
　　 论文第四章采用体相流变、表面张力和荧光探针方法研究了威兰胶与AES复合体系的性质，并和黄原胶/AES复合体系进行了比较。研究结果表明:威兰胶/AES复合体系表现出剪切变稀性，为假塑性流体。AES对威兰胶/AES复合体系表观粘度的影响不大，动态模量略有升高，表现出以弹性为主的性质。威兰胶/AES体系的表观粘度、复合模量、储能模量及损耗模量均大于黄原胶/AES复合体系，表明威兰胶/AES复合体系比黄原胶/AES复合体系具有更好的粘弹性、更强的抗干扰能力。威兰胶、黄原胶分子结构中皆没有疏水基团，与AES之间无法产生疏水缔合作用，而且两者与AES带同种电荷，静电排斥作用阻碍了两者之间的相互作用，因此，AES分子聚集体对威兰胶和黄原胶的流变性影响不大。由于威兰胶本身增粘效果优于黄原胶，所以威兰胶/AES复合体系的粘弹性强于黄原胶/AES复合体系。总的来看，威兰胶/AES复合体系既能达到较低界面张力，又能保持较高的表观粘度，并且优于黄原胶/AES复合体系的粘弹性，表明威兰胶/AES复合体系同时具备了威兰胶和AES的优点，说明在工业应用中具有非常大的应用潜力，特别是在强化采油技术中，威兰胶/AES复合体系作为二元复合驱理论上既能扩大波及体积又可提高洗油效率，可大大提高原油的采收率。
　　 论文第五章采用Foamscan分析仪考察了威兰胶/AES复合体系的起泡性和稳泡性能，探讨了影响复合体系所起泡性和稳定性的因素。研究表明:室温条件下，AES溶液的最佳起泡浓度为500mg·L-1。威兰胶能够增强AES溶液的起泡性，威兰胶的浓度为80mg·L-1时，威兰胶/AES复合体系的起泡能力最强。同时，威兰胶能够增强AES溶液的泡沫稳定性。威兰胶/AES复合溶液泡沫电导及携液量均高于AES溶液，威兰胶能够提高AES泡沫液膜的含液量，液膜排液难度增加。界面流变实验表明:威兰胶能够增强AES的界面扩张粘弹性，界面粘性高于界面弹性，表明界面粘性在威兰胶稳泡过程中起到了主要的作用。由于威兰胶分子间具有范德华作用及侧链和主链间存在氢键作用，分子倾向于形成规整的双螺旋结构，这种结构增强了液膜的界面粘性，同时又坚固了液膜，提高液膜的自我修复能力，有效地增强了泡沫的稳定性。威兰胶溶液的泡沫性较差，但与AES复合后，复合溶液的起泡性及泡沫稳定性既高于AES溶液更高于威兰胶溶液，说明两者复合在泡沫性能上产生协同作用，具有更优异的泡沫性能。