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《中国科学院研究生院(理化技术研究所)》 2008年
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泡沫复合驱模拟体系的表面性质及泡沫性能研究

王晓春  
【摘要】: 泡沫复合驱技术是一种综合性和多功能的大幅度提高石油采收率的新技术,表面活性剂的分子设计和优化是泡沫复合驱技术的核心和技术难点,阐明表面活性剂分子结构以及表面活性剂与其它化学剂的相互作用对其泡沫性能影响规律又是分子设计的基础和前提。因此,泡沫复合驱油表面活性剂模型化合物的表面性质及泡沫性能研究是泡沫复合驱油技术开发中必不可少的研究课题,其深入研究对泡沫复合驱油表面活性剂的分子设计与驱油体系的优化具有重要的指导意义。主要研究内容和取得的主要结论如下: 1)烷基醇醚羧酸钠的表面性质 用已知结构、高纯度的烷基醇醚羧酸钠作为模型化合物,系统地研究了烷基碳链结构对表面吸附和表面张力的影响,测定了烷基醇醚羧酸钠在纯水溶液中的表面张力。通过表面张力随浓度变化的γ- lg C曲线获得了各个烷基醇醚羧酸钠的临界胶束浓度(cmc)、临界胶束浓度时的表面张力(γ_(cmc))、饱和吸附量(Γ_(max))、降低表面张力的效率(pC_(20))和标准吸附自由能(ΔG_(ad)~0)等物化参数。结果表明,与一般表面活性剂的变化规律一致,随着烷基醇醚羧酸钠分子中烷基链长的增加,cmc逐渐减小,饱和吸附量升高,同时其降低表面张力的能力也提高。烷基支链化,cmc增大,分子的横截面积增大使得Γ_(max)减小,但由于烷基支链化使得表面疏水基覆盖率大,因而表现为降低表面张力的能力有所提高。 测定了烷基醇醚羧酸钠的动态表面张力,采用Rosen经验方程和Word-Tordai方程进行分析计算,得到了其动态表面参数和校正扩散系数D_(eff)。研究结果表明,依据Word-Tordai模型和Rosen模型可得出一致结论:疏水链的增长,使得分子扩散变慢,吸附所需的能垒减小;烷基支链化,使得分子扩散变快,而吸附所需的能垒增大。 采用气泡扩张技术,运用小幅周期振荡方法研究了烷基醇醚羧酸钠在水溶液表面上的扩张粘弹性质。具体考察了其动态界面扩张性质及界面扩张参数(模量、相角、弹性、粘性)随表面活性剂体相浓度和工作频率的变化规律。结果表明,烷基醇醚羧酸钠体现出与常规表面活性剂相同的扩张粘弹性质。 2)烷基醇醚羧酸钠的泡沫性能 利用改进的Bikerman方法测定了烷基醇醚羧酸钠的泡沫性能,考察了浓度、温度以及分子结构对泡沫性能的影响,探讨了动态表面活性与起泡能力的关系。研究结果表明,表面活性剂结构决定了液膜分子的排布,导致泡沫的稳定性发生改变;动态表面活性决定溶液的起泡能力。 3)烷基苯磺酸钠的泡沫性能及液膜性质 利用改进的Bikerman方法及电化学方法系统研究了已知结构、高纯度烷基苯磺酸盐的泡沫性能及液膜性质,考察了浓度、温度以及分子结构对泡沫性能的影响,探讨了界面扩张弹性与液膜稳定性的关联。研究结果表明,支链烷基以及邻位和间位的直链烷基对液膜分子的排布影响较大,而对位的直链烷基的影响较小,从而对泡沫稳定性的影响不同;对薄液膜来说,表面弹性是使薄液膜稳定的一个主导参数,扩张弹性与液膜寿命的变化规律一致。 4)表面活性剂复配体系的泡沫性能 利用改进的Bikerman方法测定了表面活性剂复配体系的泡沫性能,用烷基醇醚羧酸钠作为模型化合物,考察了电解质、聚合物、脂肪醇、烷醇酰胺以及十二烷基苯磺酸钠与烷基醇醚羧酸钠相互作用对泡沫性能的影响。结果表明,电解质通过改变离子表面活性剂的表面排布和分子间的静电作用,影响泡沫性能;聚合物、脂肪醇和烷醇酰胺可以与表面活性剂形成混合吸附膜,从而影响泡沫性能;烷基醇醚羧酸盐与SDBS复配体系在形成胶束能力、降低表面张力效率以及降低表面张力能力三方面存在着协同增效作用,使得液膜上分子间作用力增强,从而导致起泡能力和泡沫稳定性增强。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(理化技术研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2008
【分类号】:TQ423

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