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溫度對(duì)延展型表面活性劑界面張力的影響規(guī)律
來(lái)源：天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 瀏覽 493 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-04
在傳統(tǒng)陰離子表面活性劑的離子頭和疏水尾鏈間引入氧乙烯（EO）和氧丙烯（PO）等非離子基團(tuán)，分散離子頭電荷，能夠明顯提高表面活性劑的抗鹽能力。同時(shí)，由于EO和PO基團(tuán)分別是弱親水和弱親油基團(tuán)，容易在界面靠近水相或油相一側(cè)鋪展，因此，此類(lèi)表面活性劑又稱為延展型表面活性劑。延展型表面活性劑分子中非離子基團(tuán)在界面的鋪展，能夠有效調(diào)控界面膜排列的緊密程度和膜強(qiáng)度，從而產(chǎn)生超強(qiáng)的降低界面張力（IFT）及乳化原油的能力，在提高石油采收率領(lǐng)域有著光明的前景，成為研究的熱點(diǎn)。
近年來(lái)，對(duì)于延展型表面活性劑在界面上特殊的排列方式影響界面張力的作用機(jī)制也有報(bào)道，公認(rèn)其PO基團(tuán)在油相一側(cè)的延展是獲得超低界面張力的必要條件。合成了3種直鏈烷基聚氧丙烯醚硫酸鈉，發(fā)現(xiàn)C12P3S和C14P3S具有較好的乳化能力和降低表面張力能力，同時(shí)具有優(yōu)良的低溫水溶性和抗鈣鎂能力。此外，還研究了異辛基聚氧丙烯（9）聚氧乙烯（3）醚硫酸鈉（b-C8P9E3S）的表界面張力，發(fā)現(xiàn)PO鏈可以極大補(bǔ)足分子因烷基鏈短而導(dǎo)致的弱疏水性，并且與適宜的EO鏈組合，延展型表面活性劑可以達(dá)到超低界面張力。
與EO鏈節(jié)的脂肪醇聚醚磺酸鹽相比，具有PO鏈節(jié)的脂肪醇聚醚磺酸鹽具有更好的界面活性，且脂肪醇聚氧丙烯醚磺酸鹽（APS）、脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸鹽（AES）水溶液的最佳礦化度均較高。在相同親油基條件下，增加分子中氧丙烯鏈長(zhǎng)度，可以調(diào)節(jié)表面活性劑親水親油平衡，使其最佳鹽濃度降低。單獨(dú)壬基酚聚氧丙烯醚硫酸鹽（NPPS）與稠油樁西原油-鹽水體系界面張力無(wú)法達(dá)到超低，但其與Na2CO3復(fù)配，可以使界面張力降至10-4mN/m以下。研究了9ASn-0、13AS-n-0系列氧丙烯聚醚型表面活性劑的界面活性，發(fā)現(xiàn)氧丙烯鏈的增長(zhǎng)有利于界面張力的降低，且達(dá)到低界面張力所需礦化度的區(qū)域也隨著降低。
鹽度影響延展型表面活性劑離子頭的尺寸，只有在適宜鹽度下，才能達(dá)到超低界面張力和形成中相微乳液。但是，由于PO基團(tuán)的存在，溫度變化必然影響PO基團(tuán)與水分子間的氫鍵，也會(huì)對(duì)延展型表面活性劑的性能產(chǎn)生不容忽視的影響，而這方面的研究工作還較少。本文研究了溫度對(duì)延展型表面活性劑界面張力的影響規(guī)律，以期為該類(lèi)表面活性劑在不同油藏條件下的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)作用。
實(shí)驗(yàn)試劑
延展型表面活性劑G-C12PO8S和S-C12PO13S，沙索（中國(guó)）化學(xué)有限公司產(chǎn)品，活性物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為90%，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中表面活性劑溶液均用mili-Q超純水配制；不同鏈長(zhǎng)正構(gòu)烷烴，分析純，均為阿拉丁生化科技股份有限公司產(chǎn)品；氯化鈉，分析純，北京化學(xué)試劑公司產(chǎn)品。
圖1延展型表面活性劑G-C12PO8S和S-C12PO13S的結(jié)構(gòu)式
界面張力的測(cè)定
采用芬蘭Kibron dIFT-2x界面張力儀測(cè)定體系的動(dòng)態(tài)界面張力，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，通過(guò)攝像機(jī)攝到油滴形狀，讀取液滴的長(zhǎng)度及寬度，當(dāng)界面張力值較高時(shí)，即油滴長(zhǎng)寬比（L/D）小于4，界面張力可以通過(guò)式(1)計(jì)算：
式中：ρh為水相密度（mg/L）；ρd為油相密度（mg/L）；ω為轉(zhuǎn)速（r/min）；C為與油滴長(zhǎng)寬比相關(guān)的系數(shù)。當(dāng)界面張力值較低時(shí)，即油滴長(zhǎng)寬比（L/D）大于4，界面張力可以通過(guò)式（2）計(jì)算：
當(dāng)界面張力數(shù)值0.5 h內(nèi)變化小于1%時(shí)為動(dòng)態(tài)界面張力穩(wěn)態(tài)值。
本文研究了溫度對(duì)延展型表面活性劑降低界面張力能力的影響，研究發(fā)現(xiàn)：
（1）延展型表面活性劑分子結(jié)構(gòu)中的PO基團(tuán)沿界面的伸展增大了疏水基的尺寸，與親水離子頭更加匹配，降低界面張力能力較強(qiáng)，其與辛烷的界面張力達(dá)到0.01 mN/m數(shù)量級(jí)。
（2）低鹽度條件下，延展型表面活性劑水溶性較強(qiáng)，離子頭尺寸較大。隨溫度升高有利于延展型表面活性劑在界面上占據(jù)更大的空間，增大降低界面張力的能力，溫度從30℃升高至90℃，界面張力降低幅度約為1個(gè)數(shù)量級(jí)；而對(duì)于表面活性劑的親水親油平衡能力影響不大。
（3）隨著鹽度增大，延展型表面活性劑疏水性增強(qiáng)，離子頭尺寸減小，對(duì)適宜碳數(shù)的油相能夠達(dá)到超低界面張力（0.001 mN/m數(shù)量級(jí)）。此時(shí)溫度主要影響表面活性劑的親水親油平衡能力，隨著溫度升高，出現(xiàn)超低界面張力的油相的烷烴碳數(shù)升高，而對(duì)界面張力最低值影響不大。