聚合物阳离子双子表面活性剂合成、测试与应用研究

摘要

双子表面活性剂作为一种新型的表面活性剂,与传统表面活性剂相比,具有更高的表面活性和更低的临界胶束浓度,在提高石油采收率(EOR)方面具有广阔的应用前景。本文在大量文献调研的基础上,以驱油机理为基础,设计、合成、表征了聚合物阳离子双子表面活性剂,期望这类新型的表面活性剂能够进一步提高石油的采收率。
　　本文以二乙醇胺、长链溴代烷(分别是溴代十二烷、溴代十四烷和溴代十六烷)、聚乙二醇为原料,通过两步反应合成了系列聚合物阳离子双子表面活性剂聚(乙二醇)二氯化(N,N-二羟乙基烷基)铵;对合成产物采用红外光谱法、质谱法、元素分析进行结构表征以及热分析,证实了合成产物为预定合成的物质。
　　对聚(乙二醇)二氯化(N,N-二羟乙基烷基)铵的表面活性研究表明,其cmc为1.79-1.22×10-4mol/L,最低表面张力(γcmc)为16.02-12.45mN/m,说明该表面活性剂与传统阳离子表面活性剂(CTAB的cmc为1.12×10-3mol/L,γcmc为39.94mN/m)相比,具有更高的表面活性。实验数据显示:表面张力和cmc均随着疏水基碳原子数目的增加而降低,随着联结基聚合物分子量的增加而降低。
　　热力学数据的测定:实验测定了一系列的聚(乙二醇)二氯化(N,N-二羟乙基烷基)铵的△G(θ)m,△H(θ)m,△S(θ)m,T△S(θ)m。△G(θ)m的范围-49.05kJ/mol到-30.18kJ/mol。△H(θ)m的范围-557.72kJ/mol到-694.49kJ/mol。△S(θ)m的范围139.01J/mol到98.95J/mol。T△S(θ)m的范围41.43kJ/mol到29.49kJ/mol。实验数据发现:(1)在同一温度下,同一物质的电导率随浓度的增加而增大。在同一浓度下,同一物质的电导率随温度的增加而增大。(2)同一物质的△G(θ)m随着温度升高而降低且均为负值,说明所测体系胶束的形成是自发的。(3)△H(θ)m随着温度升高而降低且均为负值。△S(θ)m随温度的增加变化不大。
　　在5.0×10-5mol/L到3.0×10-3mol/L范围内,1620不同浓度下的η/γ值,发现了这样的规律:cmc以前,η/γ值随浓度增加而增加;cmc处是一个极大值;cmc之后的临近cmc某个区域内,η/γ值随浓度增加有所降低,而后η/γ值随着浓度的增加而增加。
　　为了尽可能降低表面活性剂使用量,并欲得到协同效应,考察了该聚合物阳离子表面活性剂与传统阴离子表面活性剂在不同配比下的复配体系。实验数据表明:该聚合物阳离子表面活性剂与SDS(十二烷基磺酸钠)复配之后的表面张力范围为:29.35-38.44mN/m。聚合物阳离子表面活性剂与CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)的复配之后的表面张力范围为:30.52-39.02mN/m。这两组复配的数据表明:复配之后的表面张力远大于1620的γcmc为12.45mN/m。因此,该聚合物阳离子表面活性剂与SDS和CTAB均发生拮抗。
　　发泡性能的测定:1620与SDS复配的稳泡性在84.9％-93.5％,n1620∶nSDS=3∶7时,起泡性为93.5％,此时起泡稳泡效果最佳。所以,1620具有优良的发泡性能。
　　乳化性能的测定:在4×10-5mol/L到3.0×10-3mol/L的浓度范围内,1620的t10(析出10mL水所需时间)随着浓度的增加而增大,V30(30min后析出水的体积)随着浓度的增加而减小。在4×10-5mol/L,t10=526.59s,V30=15.3mL。说明1620在在4.0×10-5mol/L到3.0×10-3mol/L的浓度范围内,具有优良的乳化性能。
　　在合成的系列聚(乙二醇)二氯化(N,N-二羟乙基烷基)铵中,1620具有最低的表面张力、临界胶束浓度和最大的黏度。因此选择1620作为驱替体系的物质。在3.0×10-3mol/L以后的浓度,1620的溶解性极差,实验选定1620的驱替浓度为3.0×10-3mol/L。将该体系用于室温下的岩芯驱替实验的结果表明,在水驱之后,该体系能将石油采收率再提高15.6％,具有潜在的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 表面活性剂

1．2 双子表面活性剂

1．3 双子表面活性剂的合成研究

1．4 表面活性剂的应用研究

1．5 研究中存在的问题和发展方向

1．6 本文选题目的和研究内容

第2章 聚合物阳离子双子表面活性剂的合成与表征

2．1 合成原理

2．1．1 叔胺的合成与分离

2．1．2 聚合物阳离子双子表面活性剂的合成

2．2 实验药品与仪器

2．3 目标产物的合成与表征

2．3．1 N，N-二羟乙基烷基叔胺的合成

2．3．2 聚(乙二醇)二氯化(N，N-二羟乙基烷基)铵的合成

2．3．3 N，N-二羟乙基烷基叔胺的表征与图谱分析

2．3．4 聚(乙二醇)二氯化(N，N-二羟乙基烷基)铵的表征与图谱分析

第3章 聚合物阳离子双子表面活性剂的性能测试

3．1 临界胶束浓度的测定

3．1．1 疏水基对cmc的影响

3．1．2 聚合物分子量对cmc的影响

3．1．3 所有物质cmc下的表面张力

3．2 热力学常数的间接测定

3．2．1 PEG4000时

3．2．2 PEG6000时

3．2．3 PEG 8000时

3．2．4 PEG10000时

3．2．5 PEG20000时

3．3 黏度的测定

3．4 复配

3．5 发泡性能的测定

3．6 乳化性能的测定

小结

第4章 驱油性能评价

4．1 提高采收率技术简介

4．1．1 聚合物驱

4．1．2 表面活性剂驱

4．1．3 碱水驱

4．1．4 可动凝胶驱

4．1．5 微生物驱

4．1．6 通用的驱油机理

4．2 驱替实验

4．2．1 实验仪器和步骤

4．2．2 实验数据的计算

4．2．3 实验结果讨论

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果