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磺酸盐两亲无规聚合物的制备及其聚集行为研究

吴旭  
【摘要】:随着石油资源的短缺和石油工业的发展,稠油已成为石油产品的重要分支,约占总石油储量的30%。由于稠油粘度大(50 mPa·s以上)、密度高(0.943 g·cm~(-3)以上),造成稠油输送效率低、成本高。现有的稠油输送降粘技术主要有物理法和化学法,在工程应用中均存在一些不足,根据国内外稠油降粘技术的报道,两亲无规聚合物具有特殊的结构,可以形成空间网状的聚集形态,大幅度的降低稠油粘度。因此本文设计一种两亲无规聚合物的制备工艺,并对两亲聚合物在溶液中的聚集行为进行分析,进而通过两亲聚合物对稠油的降粘作用,探讨两亲聚合物与稠油的作用机理。 本文采用发烟硫酸、丙烯腈、碳烯为原料,通过磺化作用制备了2-丙烯酰胺基-辛基磺酸(AMC_8S)、2-丙烯酰胺基-十二烷基磺酸(AMC_(12)S)、2-丙烯酰胺基-十六烷基磺酸(AMC_(16)S)三种疏水碳链长度不同的磺酸盐类两亲单体。进一步与亲水单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)按不同摩尔比例进行水溶液无规共聚,制备了一系列新颖的两亲无规聚合物。采用红外光谱、核磁共振波谱、元素分析等测试手段对实验所得产物的结构进行表征与分析,结果表明所制备的两亲单体结构为(1)所示,进一步反应制得的两亲无规聚合物的结构见(2)所示。 采用稳态荧光、动态光散射及透射电子显微镜等测试手段对聚合物在水溶液中的聚集行为进行研究。选取两亲基团为AMC_(12)S,摩尔含量(x)分别为0.1、0.3、0.5的两亲聚合物,考察两亲基团含量对聚合物聚集行为的影响。显减小,其聚集方式逐渐从分子间向分子内转变。选取两亲基团分别为AMC_8S、AMC_(12)S、AMC_(16)S,摩尔含量为0.1的两亲聚合物,研究两亲基团中疏水碳链长度对聚合物聚集行为的影响。结果表明,随着两亲基团疏水碳链长度的增长,聚合物cac明显减小,聚合物分子更倾向于以分子间的聚集方式聚集,形成多分子聚集体。 以月桂醇为起始剂,碱催化下与环氧乙烷开环反应制备了三种亲水基团长度不同的非离子表面活性剂,采用核磁共振波谱及质谱仪对产物的结构进行分析,结果表明表面活性剂的结构分别为HO(CH_2CH_2O)_10C_12H_25 (C_12E_10)、HO(CH_2CH_2O)_20C_12H_25(C_12E_20)和HO(CH_2CH_2O)_40C_12H_25 (C_12E_40)。考察非离子表面活性剂对聚合物聚集行为的影响,结果表明,在混合溶液中非离子表面活性剂浓度达到临界缔合浓度(cmc)左右时聚合物聚集体开始解离;随着亲水基团长度的增长,表面活性剂对聚合物聚集体的解离能力也随之增强。 以不同用量的AMC_16S,制备出五种在水溶液中以分子间聚集为主导的两亲聚合物降粘剂(ICA)。采用乌氏粘度计及扫描电子显微镜考察ICA的分子量和微观结构,结果表明,AMC_16S含量的减少导致分子量变大、以及所形成网状聚集形态的致密性增强。采用Brookfield粘度计考察ICA对胜利稠油的降粘效果,其中ICA-2同时具有优良的降粘、耐盐和耐温性能。考察对比ICA-2与石油磺酸盐小分子降粘剂(SJ)对稠油降粘95%所需的用量、降低稠油界面张力的能力、在稠油表面的润湿效果及形成乳状液的状态。结果表明,ICA-2所需的用量更小、具有相对较弱的降低界面张力能力、较好的润湿效果并能够把稠油乳化成粒径更小且均匀的小油滴。分析探讨了ICA、SJ与稠油的作用机理,结果表明,ICA具有更好的乳化降粘效果,因其可以通过界面膜的修复作用、空间位阻作用和电荷斥力作用共同抵制乳状液中油滴的聚结,具有更强的维持乳状液稳定能力。


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