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(duì)粘土礦物的吸附作用對(duì)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(duì)整個(gè)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(gè)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(jià)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(duì)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?xì)浔砻婊钚詣┖途酆衔飶?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(xiàn)報(bào)道,而碳?xì)浔砻婊钚詣┰陴ね恋V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(duì)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(duì)三次采油具有理論指導(dǎo)意義。1實(shí)驗(yàn)部分1.1細(xì)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(jì)開發(fā)區(qū)精細(xì)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(tuán)化學(xué)試劑有限公司);部分水解聚丙烯酰胺(相對(duì)分子質(zhì)量為2000萬、1000萬,水解度23.8%,河北天時(shí)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(dòng)離子束的電子線SP-75型紫外可見分光光度計(jì):上海光譜儀器有限公司;LD-5型電動(dòng)離心機(jī):江蘇金壇市金城國勝實(shí)驗(yàn)儀器廠;KS-4000i恒溫振蕩搖床:IKA;pHS-25型pH計(jì):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(duì)FS在蒙脫土上吸附的影響,在25ml、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的FS溶液中,加入質(zhì)量分?jǐn)?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?fù)u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(jì)在525nm波長處測定吸光度,對(duì)照由標(biāo)準(zhǔn)FS測量出的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)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?jǐn)?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(zhǔn)曲線測得的濃度范圍之內(nèi)后,利用紫外分光光度計(jì)在525nm波長處測定吸光度對(duì)照由標(biāo)準(zhǔn)FS測量出的標(biāo)準(zhǔn)曲線,計(jì)算出FS在蒙脫土上的吸附量。FS的吸附量通過差量法進(jìn)行計(jì)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(gè)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(jī)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(duì)應(yīng)編號(hào)分別加入離心后對(duì)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(jì)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(zhǔn)曲線。2結(jié)果與討論2.1ss含量標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)間fs的測定圖2是不同時(shí)間間隔測定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的FS的吸附量,在圖中可以看出吸附時(shí)間在大于30min的時(shí)候幾乎達(dá)到平衡,吸附量不再明顯增加,因此選用2h的平衡吸附時(shí)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(duì)于純蒙脫土來說2θ=26.640°、d=3.3434,對(duì)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(dòng),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(jìn)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(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)上,當(dāng)為甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇時(shí),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(duì)較差造成的。2.5蒙脫土上的吸濕圖6是pH對(duì)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(fù)電的,所以能形成較強(qiáng)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(huì)影響FS在蒙脫土上的吸附速率,還會(huì)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(shí)吸附量達(dá)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?yàn)槲奖旧硎且粋€(gè)放熱放應(yīng)。2.7聚合物對(duì)fs水包油乳狀液的吸附機(jī)理分別在FS溶液中加入聚丙烯酰胺(HPAM)相對(duì)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(shí)聚合物能改善表面活性劑溶液對(duì)油的流度比,對(duì)驅(qū)油介質(zhì)的稠化,可減小表面活性劑的擴(kuò)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(duì)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(duì)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(shí),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(duì)分子質(zhì)量2×107的HPAM對(duì)降低FS在蒙脫土上的吸附作用更為明顯;相對(duì)分子質(zhì)量分別為1×107和2×107,HPAM濃度為1000mg·L-1時(shí),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(diǎn),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(diǎn),且更難從蒙脫土上解吸。