磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑在鈉基蒙脫土上的吸附性能

磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑在鈉基蒙脫土上的吸附性能

納米表面活性劑在三次采油中的吸附表面活性劑對粘土礦物的吸附作用對研究固液界面的性質(zhì)具有重要意義。尤其目前利用化學(xué)驅(qū)提高石油采收率越來越廣泛,表面活性劑驅(qū)油和包含表面活性劑的復(fù)合驅(qū)油技術(shù),已成為三次采油的主攻方向之一。表面活性劑在地層內(nèi)的吸附量的多少對整個驅(qū)油體系之間相互產(chǎn)生的協(xié)同作用起著非常重要的作用,這個問題受到許多科學(xué)工作者的重視,為此研究驅(qū)油劑的吸附損耗是關(guān)系到化學(xué)驅(qū)油成敗關(guān)鍵因素之一。目前引起驅(qū)油劑損失的原因,主要有巖石介質(zhì)的吸附,與地層水、黏土中可交換的多價離子反應(yīng)和在殘余油中分配等。表面活性劑在黏土礦物上吸附以后,可以造成表面活性劑的損失,而且黏土顆粒的性質(zhì)也發(fā)生很大變化。在對磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑的研究中發(fā)現(xiàn),具有兩性結(jié)構(gòu)的磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑與碳氫表面活性劑和聚合物復(fù)配體系所產(chǎn)生的泡沫起泡性能好且穩(wěn)定,在泡沫驅(qū)油上有很大的發(fā)展前景。關(guān)于氟碳表面活性劑在黏土礦物上的吸附,鮮見文獻報道,而碳氫表面活性劑在黏土礦物上的吸附,在三次采油中已做了大量工作。主要研究了表面活性劑與聚合物復(fù)配體系在高嶺土上的吸附及相互作用、MD膜驅(qū)劑在石油開采中涉及固/液界面的吸附問題和與黏土的相互作用、S/P二元復(fù)合驅(qū)體系靜態(tài)吸附室內(nèi)研究,石油羧酸鹽的在高嶺土上的降磁化吸附。本文研究了磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑(FS)在鈉基蒙脫土上的吸附規(guī)律,并考察了醇、聚合物、pH值、溫度對磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑在鈉基蒙脫土上吸附的影響,得出的結(jié)果對三次采油具有理論指導(dǎo)意義。1實驗部分1.1細化酸酯酰氯基磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑(FS,自制),分子式如下無水乙醚(分析純,天津化學(xué)試劑有限公司);丙酮(分析純,萊陽經(jīng)濟開發(fā)區(qū)精細化工廠);甲醇(分析純,利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司);無水乙醇、異丙醇(分析純,天津化學(xué)試劑有限公司);正丁醇、癸醇、辛醇、乙二醇、丙三醇(分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司);部分水解聚丙烯酰胺(相對分子質(zhì)量為2000萬、1000萬,水解度23.8%,河北天時化工有限公司);鈉基蒙脫土(勝利泥漿公司提供)。1.2吸附電動離子束的電子線SP-75型紫外可見分光光度計:上海光譜儀器有限公司;LD-5型電動離心機:江蘇金壇市金城國勝實驗儀器廠;KS-4000i恒溫振蕩搖床:IKA;pHS-25型pH計:上海精密科學(xué)儀器有限公司。1.3fs吸附量的測定為了考察不同種類醇、pH值、溫度、不同分子量聚丙烯酰胺(HPAM)對FS在蒙脫土上吸附的影響,在25ml、質(zhì)量分數(shù)為0.4%的FS溶液中,加入質(zhì)量分數(shù)為4%的泥漿25ml(預(yù)先水化24h),調(diào)節(jié)pH值、溫度、加入醇、聚丙烯酰胺(HPAM)用恒溫搖床(30℃)恒溫振蕩2h,然后取懸浮液離心,取出上清液5ml,再加入5ml的蒸餾水,利用紫外分光光度計在525nm波長處測定吸光度,對照由標(biāo)準FS測量出的標(biāo)準曲線,計算出FS在蒙脫土上的吸附量。1.4fs在蒙脫土上的吸附量的測定在25ml一定濃度的FS溶液中,加入質(zhì)量分數(shù)為4%的泥漿25ml(預(yù)先水化24h),恒溫振蕩2h后取懸浮液在4000r·min-1的轉(zhuǎn)速下離心,然后取出上清液再稀釋濃度,使之在標(biāo)準曲線測得的濃度范圍之內(nèi)后,利用紫外分光光度計在525nm波長處測定吸光度對照由標(biāo)準FS測量出的標(biāo)準曲線,計算出FS在蒙脫土上的吸附量。FS的吸附量通過差量法進行計算FSadsorbance=C0?Cem×VFSadsorbance=C0-Cem×V式中C0為初始濃度;Ce為FS溶液的平衡濃度;V為懸浮液的體積;m為懸浮液中蒙脫土的質(zhì)量。1.5離心提取fs法基本步驟如下。(1)取5g雷氏鹽,溶于100ml蒸餾水中,配制成濃度為50mg·ml-1的溶液,磁力攪拌45min。分別取濃度為0.25、0.5、1、1.5mg·ml-1的FS溶液倒入燒杯中,用濃鹽酸將其pH值調(diào)至1±0.1,然后將燒杯置于冰箱中冷卻10～15min。(2)雷氏鹽攪拌后用砂心漏斗過濾,用濃鹽酸將濾液調(diào)節(jié)pH值到1±0.1,在冰浴條件下各取10ml滴加到步驟(1)中5個濃度的FS溶液中,邊滴加邊攪拌,使其混合均勻,然后放入冰箱中冷卻1h。(3)將步驟(2)中混合后的溶液置于離心機中,在4000r·min-1的轉(zhuǎn)速下離心15min后,用滴管將離心后的上層清液吸出;然后用10ml體積比為1∶99(1ml蒸餾水+99ml無水乙醚)的乙醚清洗裝有不同濃度的FS溶液的燒杯,將洗后得到的液體按對應(yīng)編號分別加入離心后對應(yīng)的離心管內(nèi),再次離心15min,然后再用體積比為1∶99的乙醚清洗粉紅色沉淀,將離心管內(nèi)上層清液倒出。(4)將離心管中沉淀用5ml體積比為70%(30ml蒸餾水+70ml分析純丙酮)的丙酮溶液清洗兩次,分別倒入25ml容量瓶中,用70%的丙酮溶液定容。(5)用分光光度計分別測試步驟(4)中5種溶液在波長為525nm處的吸光度,用70%的丙酮溶液作參比測定吸光度,做出濃度-吸光度標(biāo)準曲線。2結(jié)果與討論2.1ss含量標(biāo)準曲線用比色法繪制磺基甜菜堿型氟碳表面活性劑(FS)含量標(biāo)準曲線,如圖1所示。其回歸方程為:y=0.0593x-0.0005。其中y為吸光度值;x為FS的質(zhì)量濃度,mg·ml-1。2.2平衡吸附時間fs的測定圖2是不同時間間隔測定的質(zhì)量分數(shù)為0.5%的FS的吸附量,在圖中可以看出吸附時間在大于30min的時候幾乎達到平衡,吸附量不再明顯增加,因此選用2h的平衡吸附時間來測量。2.3鈉蒙脫土層間距圖3和圖4分別是純鈉蒙脫土和經(jīng)過3%FS處理過的鈉蒙脫土的XRD圖,對于純蒙脫土來說2θ=26.640°、d=3.3434,對于3%FS處理過鈉蒙脫土來說,2θ=26.256°,d=3.3914,角度向小角方向移動,層間距也變大了0.00480nm,說明了在蒙脫土結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,FS進入了蒙脫土層間,使得蒙脫土地層間距發(fā)生了變化。FS已經(jīng)在蒙脫土的層間發(fā)生了吸附,這種吸附作用是通過取代蒙脫土中的水而進入的,從而破壞了蒙脫土中的水化層,改變了蒙脫土的性質(zhì)。2.4醇對fs在蒙脫土上的吸附分別在FS溶液中加入相同體積比(10%)的甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、辛醇、癸醇、乙二醇和丙三醇來研究不同種類的醇對FS在蒙脫土上吸附量的影響,如圖5所示。由圖5可以看出,甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇能很好地阻止FS在蒙脫土上的吸附,但是辛醇、癸醇、乙二醇、丙三醇都增加了FS在蒙脫土上的吸附,尤其是辛醇、癸醇尤為明顯。體積比為10%的甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇使吸附量降低值分別為47.38、25.46、59.19、35.58mg·g-1,降低率分別為39.05%、67.25%、23.86%、54.42%,可以看出乙醇對降低FS在蒙脫土上的吸附最為明顯。醇都可以通過形成氫鍵吸附到蒙脫土的活性點上,當(dāng)為甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇時,降低了FS在蒙脫土上的吸附量,原因是醇能使固-液界面吸附層的無序性增加,增大FS向界面遷移的阻力。但是辛醇、癸醇、乙二醇、丙三醇都不同程度地增加了FS在蒙脫土上的吸附,使吸附量增加值分別為145.19、130.02、96.29、87.86mg·g-1,增加率分別為86.76%、67.25%、23.86%、13.02%。原因是辛醇、癸醇、乙二醇、丙三醇的疏水作用,與FS形成混合吸附層和膠束的能力相對較差造成的。2.5蒙脫土上的吸濕圖6是pH對FS在蒙脫土上的吸附的影響。從圖6中可以看出,隨著pH值的增加FS在蒙脫土上的吸附減少。這主要是由于FS為兩性表面活性劑,在酸性環(huán)境下,FS呈現(xiàn)出陽離子部分的性質(zhì),而蒙脫土是帶負電的,所以能形成較強的靜電吸引力,FS在蒙脫土上的吸附就增加,在堿性環(huán)境下,FS呈現(xiàn)出陰離子部分的性質(zhì),所以FS在蒙脫土上的吸附減小。2.6附隨溫度的變化由于在吸附過程中存在吸熱放熱的過程,因此溫度的變化,不但會影響FS在蒙脫土上的吸附速率,還會影響它的吸附量。FS吸附在30～70℃之間隨溫度的變化如圖7所示。從圖中可以看出,隨著溫度的升高,FS的吸附呈現(xiàn)一種先增加后降低的趨勢,在40～50℃時吸附量達到最大值。由于FS通過—OH與蒙脫土中的SiO—和AlO—形成氫鍵吸附,吸附首先需克服能壘的作用,故隨著溫度的升高吸附量增大,隨后隨著溫度的繼續(xù)升高,FS在蒙脫土上的吸附量降低,因為吸附本身是一個放熱放應(yīng)。2.7聚合物對fs水包油乳狀液的吸附機理分別在FS溶液中加入聚丙烯酰胺(HPAM)相對分子質(zhì)量分別為1×107、2×107,質(zhì)量濃度分別為200、400、600、800、1000mg·L-1,如圖8所示。部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)在油田中是一種非常常用的驅(qū)油用聚合物,應(yīng)用表面活性劑-聚合物二元復(fù)合驅(qū)時聚合物能改善表面活性劑溶液對油的流度比,對驅(qū)油介質(zhì)的稠化,可減小表面活性劑的擴散速率,從而減小藥耗,提高表面活性劑所形成的水包油乳狀液的穩(wěn)定性,使波及系數(shù)和洗油效率有較大的提高。所以選用了相對分子質(zhì)量分別為1×107和2×107的兩種部分水解聚丙烯酰胺,研究了聚合物對FS在蒙脫土上吸附的影響。圖8為HPAM加量在200～1000mg·L-1、FS濃度為0.4%時,FS在蒙脫土上吸附量的變化。從圖8看出,隨著HPAM濃度的增加,FS的吸附量不斷下降,且相對分子質(zhì)量2×107的HPAM對降低FS在蒙脫土上的吸附作用更為明顯;相對分子質(zhì)量分別為1×107和2×107,HPAM濃度為1000mg·L-1時,吸附量分別為47.39、25.46mg·g-1,降低率分別為39.04%、67.25%。這主要是由于HPAM可以吸附在黏土的表面,占據(jù)了蒙脫土的活性吸附點,從而阻止了FS在蒙脫土上的吸附。HPAM的濃度越大,吸附在蒙脫土上的就越多,且HPAM分子相互糾纏,吸附后不易解吸,FS分子就比較難吸附在蒙脫土上。HPAM的分子量越大,吸附在黏土的表面,更多地占據(jù)了蒙脫土的活性吸附點,且更難從蒙脫土上解吸。