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温度对延展型表面活性剂界面张力的影响规律

来源:天津工业大学学报 浏览 63 次 发布时间:2024-07-04

在传统阴离子表面活性剂的离子头和疏水尾链间引入氧乙烯(EO)和氧丙烯(PO)等非离子基团,分散离子头电荷,能够明显提高表面活性剂的抗盐能力。同时,由于EO和PO基团分别是弱亲水和弱亲油基团,容易在界面靠近水相或油相一侧铺展,因此,此类表面活性剂又称为延展型表面活性剂。延展型表面活性剂分子中非离子基团在界面的铺展,能够有效调控界面膜排列的紧密程度和膜强度,从而产生超强的降低界面张力(IFT)及乳化原油的能力,在提高石油采收率领域有着光明的前景,成为研究的热点。


近年来,对于延展型表面活性剂在界面上特殊的排列方式影响界面张力的作用机制也有报道,公认其PO基团在油相一侧的延展是获得超低界面张力的必要条件。合成了3种直链烷基聚氧丙烯醚硫酸钠,发现C12P3S和C14P3S具有较好的乳化能力和降低表面张力能力,同时具有优良的低温水溶性和抗钙镁能力。此外,还研究了异辛基聚氧丙烯(9)聚氧乙烯(3)醚硫酸钠(b-C8P9E3S)的表界面张力,发现PO链可以极大补足分子因烷基链短而导致的弱疏水性,并且与适宜的EO链组合,延展型表面活性剂可以达到超低界面张力。


与EO链节的脂肪醇聚醚磺酸盐相比,具有PO链节的脂肪醇聚醚磺酸盐具有更好的界面活性,且脂肪醇聚氧丙烯醚磺酸盐(APS)、脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐(AES)水溶液的最佳矿化度均较高。在相同亲油基条件下,增加分子中氧丙烯链长度,可以调节表面活性剂亲水亲油平衡,使其最佳盐浓度降低。单独壬基酚聚氧丙烯醚硫酸盐(NPPS)与稠油桩西原油-盐水体系界面张力无法达到超低,但其与Na2CO3复配,可以使界面张力降至10-4mN/m以下。研究了9ASn-0、13AS-n-0系列氧丙烯聚醚型表面活性剂的界面活性,发现氧丙烯链的增长有利于界面张力的降低,且达到低界面张力所需矿化度的区域也随着降低。


盐度影响延展型表面活性剂离子头的尺寸,只有在适宜盐度下,才能达到超低界面张力和形成中相微乳液。但是,由于PO基团的存在,温度变化必然影响PO基团与水分子间的氢键,也会对延展型表面活性剂的性能产生不容忽视的影响,而这方面的研究工作还较少。本文研究了温度对延展型表面活性剂界面张力的影响规律,以期为该类表面活性剂在不同油藏条件下的应用提供一定的指导作用。


实验试剂


延展型表面活性剂G-C12PO8S和S-C12PO13S,沙索(中国)化学有限公司产品,活性物质量分数均为90%,具体结构如图1所示,实验中表面活性剂溶液均用mili-Q超纯水配制;不同链长正构烷烃,分析纯,均为阿拉丁生化科技股份有限公司产品;氯化钠,分析纯,北京化学试剂公司产品。

图1延展型表面活性剂G-C12PO8S和S-C12PO13S的结构式


界面张力的测定


采用芬兰Kibron dIFT-2x界面张力仪测定体系的动态界面张力,实验转速为4 000 r/min,通过摄像机摄到油滴形状,读取液滴的长度及宽度,当界面张力值较高时,即油滴长宽比(L/D)小于4,界面张力可以通过式(1)计算:

式中:ρh为水相密度(mg/L);ρd为油相密度(mg/L);ω为转速(r/min);C为与油滴长宽比相关的系数。当界面张力值较低时,即油滴长宽比(L/D)大于4,界面张力可以通过式(2)计算:


当界面张力数值0.5 h内变化小于1%时为动态界面张力稳态值。


本文研究了温度对延展型表面活性剂降低界面张力能力的影响,研究发现:


(1)延展型表面活性剂分子结构中的PO基团沿界面的伸展增大了疏水基的尺寸,与亲水离子头更加匹配,降低界面张力能力较强,其与辛烷的界面张力达到0.01 mN/m数量级。


(2)低盐度条件下,延展型表面活性剂水溶性较强,离子头尺寸较大。随温度升高有利于延展型表面活性剂在界面上占据更大的空间,增大降低界面张力的能力,温度从30℃升高至90℃,界面张力降低幅度约为1个数量级;而对于表面活性剂的亲水亲油平衡能力影响不大。


(3)随着盐度增大,延展型表面活性剂疏水性增强,离子头尺寸减小,对适宜碳数的油相能够达到超低界面张力(0.001 mN/m数量级)。此时温度主要影响表面活性剂的亲水亲油平衡能力,随着温度升高,出现超低界面张力的油相的烷烃碳数升高,而对界面张力最低值影响不大。