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阴—非离子型表面活性剂的合成与理化性能研究

王显光  
【摘要】: 阴-非离子型表面活性剂由于其分子中复合了氧乙烯和阴离子两类不同的亲水基团,所以这类表面活性剂具有良好的界面性质,在三次采油领域尤其在高矿化度油藏的开采中具有广阔的应用前景。目前在该方面的研究主要集中在疏水基为脂肪链的阴-非离子型表面活性剂,而对于含有苯基结构疏水基的阴-非离子型表面活性剂研究很少。因此,本论文就此展开研究,合成了两类具有苯基结构的阴-非离子型表面活性剂,分别为烷基酚均质聚氧乙烯醚乙酸钠盐(APEC)和对-烷基-苄基均质聚氧乙烯醚丙烷磺酸钠盐(ABEPS),并研究了它们的水溶性、表/界面活性、体相性质以及泡沫性能等。主要研究内容及结果如下: 以苯酚和直链α-烯烃为初始原料,依次经Friedel-Crafts烷基化反应、Williamson反应和羧基化反应以及中和反应制备了系列的APEC。通过其理化性能的研究,结果表明APEC具有优良的水溶性和良好的表面活性,同时其具有极为出众的耐盐性能,合适的盐浓度下,APEC水溶液能与胜利原油之间形成超低界面张力,但APEC的泡沫性能较差。 以长链羧酸、苯、多缩乙二醇和丙烷磺内酯为初始原料,依次经Friedel-Crafts酰基化反应、Huang-Minlon还原、Blank反应、Williamson成醚以及磺化反应等过程,合成了系列未见报道的ABEPS。用ESI-MS、1H NMR谱和Elementary Analysis等手段对其结构进行了鉴定,并用两相滴定法测定了所合成的ABEPS的纯度均大于99.2%。 以制得的ABEPS为模型化合物,系统研究了疏水基碳链长度和亲水基中氧乙烯基团数目对其理化性能的影响。测定了所制备的ABEPS在30℃时NaCl水溶液和不同温度下纯水溶液的表面张力,通过表面张力随浓度变化的γ-logC曲线获得了ABEPS的临界胶束浓度(CMC)以及临界胶束浓度下的界面张力(γCMC)、降低表面张力的效率(pC20)、饱和吸附量(Γmax)、HLB值、标准吸附自由能(⊿G0ad)和胶束化自由能(⊿G0mic)等物化参数。结果表明,ABEPS的疏水基碳链长度和亲水基中氧乙烯基团数目的变化对其空气—水吸附性质和表面性质有重要的影响。按照有效碳原子数的方法,从分子结构的角度分析了ABEPS与常用离子型和非离子型表面活性剂以及其他的阴-非离子型表面活性剂界面性质的差异;结果表明ABEPS这类阴-非离子型表面活性剂兼有离子型和非离子型表面活性剂的特性。 本论文还通过对ABEPS水溶液与原油之间的界面张力测定,发现ABEPS不仅具有出众的耐盐性能,而且具有良好的抗钙镁性能,合适的盐浓度下,表面活性剂水溶液与胜利原油之间可以在没有外加碱的情况下形成超低界面张力,说明这类表面活性剂具有良好的界面活性和潜在的应用前景。 用稳态荧光探针法研究了ABEPS表面活性剂水溶液的体相性质。探讨了ABEPS分子中疏水链长的变化对临界胶团浓度、胶团聚集数以及胶团微环境性质等方面的影响,发现随着疏水链长增加,ABEPS的CMC下降,胶团微极性变小,胶团聚集数增大;结果还表明ABEPS的胶团聚集数具有明显浓度效应。 通过气流法测定了ABEPS水溶液的泡沫性能,并考察了表面活性剂浓度、温度、盐以及添加剂等不同因素对泡沫性质的影响。结果表明ABEPS具有良好的泡沫性能,整体上其远远优于APEC;温度升高,ABEPS起泡能力显著增强,但泡沫稳定性变差;添加剂烷基醇酰胺的加入使其泡沫稳定性明显增强。 本论文的研究为构筑高效驱油用表面活性剂的分子设计理论提供了相关的理论依据和实验基础。


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