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《中国科学院研究生院(理化技术研究所)》 2009年
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新型阳离子和两性离子表面活性剂的合成及理化性质的研究

徐志成  
【摘要】: 驱油用表面活性剂分子设计是大幅度提高原油采收技术领域研究的前沿,而其关键科学问题是表面活性剂分子结构与性能的关系,该问题的深入研究可为新型、高效、低污染以及经济的驱油用表面活性剂的开发提供重要的理论依据。 本论文选择含有羟丙基的长碳链季铵盐阳离子和羧酸甜菜碱两性表面活性剂为研究对象,制备并研究了它们的物化性质。主要研究内容和结果如下: (1)合成了两个类型8种结构明确、高纯度的支链和直链季铵盐和羧酸甜菜碱化合物,其中七种化合物的分子结构未见文献报道。合成中采用了催化二聚反应、反马氏加成反应、环醚反应、Williamson反应、胺化以及季铵化等反应,反应中的主要中间体和终产物均使用1H-NMR、IR、MS等手段进行了结构表征。 (2)以短链α-烯烃为原料制备了高纯度的、结构明确的具有双烷基结构的α-烯烃,并首次研究了双烷基α-烯烃与溴化氢加成制备1位溴代烷的反应,考察了反应温度、反应时间、溶剂和过氧化物的类型等对α-烯烃的转化率和1位溴代烷烃的选择性的影响。结果表明,在-6~75℃,温度对α-烯烃的转化率没有明显的影响,但对1位溴代烷烃的选择性有显著的影响,选择性随温度的降低而提高;溶剂对1位溴代烷烃的选择性也产生显著的影响,非极性烷烃有利于1位溴代烷烃的选择性。 (3)以合成的支链(或直链)烷基醇(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)为模型化合物,系统地研究了表面活性剂的结构变化(表面活性剂分子中疏水基的支链化和EO数的变化)对界面吸附和界面张力等物化参数的影响。利用Wilhelmy吊片方法测定了支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)化合物在纯水和一定离子强度水溶液中的表面张力,通过表面张力随浓度变化的(γ_(lgc))曲线获得了各表面活性剂的临界胶束浓度(cmc)以及临界胶束浓度下的界面张力(γ_(cmc))、降低表面张力的效率(pC_(20))、饱和吸附量(Γ_(max))、标准吸附自由能(ΔG~0_(ad))和胶束化自由能(ΔG~0_(mic))等物化参数。结果表明,所有表面活性剂都具有良好的表面活性(cmc达10-5~10-6mol/L数量级,γcmc在26-34mN/m之间);在纯水溶液中,随着疏水基的支链化,其表面活性增强;随着EO的引入,表面活性剂的饱和吸附量(Γm ax)降低;用Blankschtein二维空间气体模型的吸附等温方程对这些现象进行了合理的解释。 (4)利用滴体积旋转法测定了支链(或直链)十六烷基醇(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)与胜利原油间的动态界面张力。结果表明,居贝特醇十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)溶液在一定浓度的弱碱条件下可与胜利原油形成超低界面张力。 (5)利用Washburn方法测定了支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)表面活性剂在硅胶G粉末上的润湿性和硅胶G上模拟油的脱油效率,并考察了各表面活性剂溶液的浓度与润湿性转变间的规律。结果表明,支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)表面活性剂溶液在硅胶上的润湿性改变随其溶液浓度呈现规律性的变化;表面活性剂对硅胶的润湿改变与脱油效率的变化呈现出对应的变化规律,进一步证实了润湿性的改变与脱油效率相关联;支链十六烷基聚氧乙烯醚(3)羟丙基季铵盐表面活性剂具有改变固体表面润湿性的优异能力,具有良好应用前景。 (6)通过气流法测定了支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)表面活性剂的泡沫性能,并考察了不同物化条件对泡沫性质的影响。结果表明,支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐(n=0,3)的泡沫性能较好;在所研究的电解质浓度范围内,电解质的加入对支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基羧酸甜菜碱(n=0,3)水溶液的起泡性能影响不大,但其稳泡性能增强;温度升高,支链(或直链)十六烷基(聚氧乙烯)n醚羟丙基季铵盐和羧酸甜菜碱(n=0,3)表面活性剂的起泡能力有所增强,但泡沫稳定性减弱。
【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】:2009
【分类号】:TQ423

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【参考文献】
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