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阴离子表面活性剂与无机盐的相互作用

赵涛涛  
【摘要】: 表面活性剂在化学驱油过程中起着重要的作用,为了适应油藏高温、高矿化度条件,有关表面活性剂耐温、抗盐性研究一直是备受重视的课题。已有的研究主要集中在无机盐对表面活性剂溶液宏观性质的影响,例如其临界胶束浓度、表面活性剂聚集体、流变性质等,这些研究主要通过体系物理化学性质的变化来推测相互作用的机理,在微观角度缺乏确切的说明。而分子动力学模拟已经被证明是一种研究表面活性剂体系的有效手段,可以在分子、原子水平上探讨表面活性剂与无机盐的相互作用。 鉴于此,本论文主要应用分子动力学模拟研究了无机盐与阴离子型表面活性剂的相互作用,比较了不同的无机盐对阴离子表面活性剂性质的影响。论文主要包括以下五部分内容:论文的第一部分阐明了研究阴离子型表面活性剂与无机盐相互作用的重要理论意义,并且综述了无机盐对表面活性剂物理化学性质的影响及其研究进展。 论文的第二部分介绍了分子动力学模拟的计算方法,主要从分子动力学模拟的基本原理、计算过程等方面进行阐述。 论文的第三部分研究了重烷基苯磺酸盐4-(1’-十六烷基)苯磺酸钠(1C16)和4-(5’-十六烷基)苯磺酸钠(5C16)与NaCl、CaCl2和MgCl2的相互作用。重烷基苯磺酸盐在采油用表面活性剂中占有重要地位,但是驱油用烷基苯磺酸盐是不同相对分子质量的烷基苯磺酸盐组成的混合物,由于其成分复杂,分子当量分布宽,纯化困难,实验研究的可变性因素很多,宏观性能测定很难在作用机理方面做出圆满的解释,所以我们应用分子动力学模拟的方法克服这一困难,在微观上研究单一的烷基苯磺酸盐的性质。研究结果表明,在两种表面活性剂中1C16在界面上的排列比5C16更加粗糙,这是因为1C16在界面上的单分子面积小于5C16,因此1C16极性头基之间的排斥作用更加明显。加入的无机反离子(Na+、Mg2+、Ca2+)分布在带负电荷的单分子层周围,并且能够屏蔽极性头之间的静电排斥作用,其作用大小顺序为:Ca2+Mg2+Na+。水化半径较小的C2+能够更加容易地进入到表面活性剂极性头基的水化层内,从而束缚这部分水分子的运动。另外支链型5C16的抗盐性要优于直链型1C16。 论文的第四部分选择常用的阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),应用实验和分子动力学模拟相结合的方法考察其与CaCl2、MgCl2的相互作用机理,以期为研究阴离子表面活性剂在水溶液中的耐盐机理提供有用的微观信息。实验结果表明,SDS/CaCl2、SDS/MgCl2体系中明显存在着一个沉淀-再溶解区域,其中Ca2+和SDS的作用更加明显,这是因为Ca2+的水化半径较小,其去水化作用比水化半径较大的Mg2+强,体积较小的Ca2+更容易与SDS亲水头基作用。NaCl和TX-100能够明显的提高SDS的抗钙镁能力。 论文的第五部分讨论了LiCl、NaCl、KCl、MgCl2和CaCl2对二-乙基-己基琥珀酸酯磺酸钠(AOT)气/液界面聚集行为的影响。研究发现AOT在气/液界面上的排列是粗糙不平的,其碳氢链尾巴发生弯曲,朝向气相,大部分的反离子位于AOT极性头附近。在AOT极性头附近存在着一个明显的水化层,这是因为水分子通过强的氢键作用与AOT的亲水头基“键合”。当向AOT体系中加入无机盐后,加入的反离子(Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+)能够压缩AOT的扩散双电层,减小AOT极性头之间的静电排斥作用,从而使AOT离子在界面上排列更加紧密。在三种一价反离子中,水化体积最小的K+能够更加容易地压缩AOT极性头的水化层,其去水化能力在三种一价反离子中最强,因此K+对AOT单分子层的影响最大,Na+次之,Li+的作用最小。另外,K+还可能嵌入到AOT分子之间的空隙当中,造成AOT极性头与水分子的相互作用减弱。在两种二价反离子中,水化半径小的Ca2+AOT单分子层的影响要比水化半径大的Mg2+强烈。


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