槐糖脂与聚丙烯酰胺的相互作用

2015-12-24王娟孔祥平

应用化工 2015年9期

王娟，孔祥平

(青岛农业大学化学与药学院，山东青岛 266109)

在三次采油过程中，聚丙烯酰胺(PAM)可增加驱替液的黏度，改善油水流度比，提高波及系数［1-2］，而表面活性剂可降低油水界面张力，提高洗油效率。因此，PAM/表面活性剂二元复合驱已成为三次采油技术研究的热点［3-5］。体系中聚合物和表面活性剂之间会形成聚合物/表面活性剂的聚集体［5-6］，聚合物的存在也影响着表面活性剂的临界胶束浓度、表面张力和聚集数等物理参数及溶液流变性、界面吸附和增溶等性质［4］。因此研究聚合物与表面活性剂之间的相互作用对认识复合驱油体系特征有重要意义［6-7］。已有不少关于聚合物与表面活性剂之间相互作用的报道［4-9］，但有关聚合物与生物表面活性剂之间相互作用的研究较少。

槐糖脂是研究较多的糖脂类生物表面活性剂，其基本结构为槐糖键上连接不同长度碳链的脂肪酸，分为内酯型和酸型［10-11］。相对于化学合成表面活性剂，槐糖脂具有高乳化活性、低临界胶束浓度、低毒、易生物降解等特点，在制药、清洗剂、石油开采等领域具有广泛的应用潜力［10-11］。然而目前尚未见槐糖脂与PAM 相互作用的报道，限制了其在三次采油中的应用。为此，本文采用表面张力法和表观黏度法研究槐糖脂与PAM 的相互作用，为其在三次采油中的应用提供依据。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚丙烯酰胺(M=500 万，水解度30%)、氯化钠均为分析纯;槐糖脂，中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室提供［10］。

JYW-200 自动表、界面张力仪;NDJ-4 旋转黏度计;AR2140 电子分析天平;HH-S 数显恒温水浴锅。

1.2 实验方法

1.2.1 表面张力测定用表面张力仪以吊环法测定槐糖脂和槐糖脂/PAM 混合溶液的表面张力。

1.2.2 表观黏度测定用旋转黏度计［1］测定PAM和槐糖脂/PAM 混合溶液的表观黏度。

2 结果与讨论

2.1 表面性能

2.1.1 温度对槐糖脂溶液表面张力的影响不同浓度槐糖脂溶液在不同温度下的表面张力见图1。

图1 温度对槐糖脂溶液表面张力的影响Fig.1 Effect of temperature on the surface tension of sophorolipid solution

由图1 可知，随着温度的升高，分子热运动加剧，动能增加，分子间作用力减弱，表面张力降低，这与一般表面活性剂变化趋势一致，说明高温没有影响槐糖脂溶液的表面活性，槐糖脂适用于油藏高温环境。另外，可以看出，槐糖脂在25 ℃的临界胶束浓度(CMC)约为30 mg/L，这与宋丹丹等［10］的研究结果一致。当温度由25 ℃升高至40 ℃时，CMC 约升高为40 mg/L，当温度由40 ℃升高至80 ℃时，CMC 基本保持不变。

2.1. 2 盐度对槐糖脂溶液表面张力的影响40 mg/L槐糖脂的不同浓度氯化钠溶液在不同温度下的表面张力见表1。

表1 氯化钠对40 mg/L 槐糖脂溶液表面张力的影响Table 1 Effect of NaCl on the surface tension of 40 mg/L of sophorolipid solution

由表1 可知，槐糖脂溶液的表面张力随氯化钠浓度的升高略有下降，这是由于电解质破坏了胶束周围的水化膜，降低了槐糖脂的CMC［10］，从而降低了槐糖脂溶液的表面张力。但由于槐糖脂为非离子表面活性剂，氯化钠对其水溶液表面张力影响较小。槐糖脂耐高温、高盐，适用于高温、高矿化度的油藏环境。

2.1.3 PAM 对槐糖脂溶液表面张力的影响见图2。

图2 PAM 对槐糖脂溶液表面张力的影响(25 ℃)Fig.2 Effect of polyacrylamide (PAM)on the surface tension of sophorolipid solution at 25 ℃

由图2 可知，纯PAM 溶液随PAM 浓度的增加表面张力略有下降，说明PAM 具有一定的表面活性，但表面活性不大。槐糖脂/PAM 混合溶液表面张力随PAM 浓度的增加略有升高，PAM 的加入使槐糖脂的CMC 由约30 mg/L 升高为约40 mg/L。原因可能是部分水解PAM 与酸性槐糖脂发生了相互作用，但由于槐糖脂主要为内酯型［10］，因此CMC 和表面张力均变化不大，当槐糖脂浓度＞40 mg/L 时，PAM/槐糖脂混合溶液的表面张力基本保持不变。

2.1.4 温度对槐糖脂/PAM 混合溶液表面张力的影响温度对槐糖脂/PAM (20 g/L)混合溶液表面张力的影响见图3，当PAM 浓度为0.5 g/L 时变化趋势相同(数据未列出)。

由图3 可知，温度对槐糖脂/PAM (20 g/L)混合溶液表面张力的影响与温度对纯槐糖脂溶液表面张力的影响相似，均是温度升高，表面张力略有下降，表明PAM 的加入，没有影响温度对槐糖脂表面活性的影响。另外，温度变化没有影响PAM/槐糖脂混合溶液槐糖脂的CMC，均约为40 mg/L。由此可见，槐糖脂/PAM 混合溶液在高温下具有表面活性，适用于高温环境。

图3 温度对槐糖脂/PAM (20 g/L)溶液表面张力的影响Fig.3 Effect of temperature on the surface tension of sophorolipid/PAM (20 g/L)solution

2.1.5 盐度对槐糖脂/PAM 混合溶液表面张力的影响槐糖脂(40 mg/L)/PAM (2.5 g/L)的不同浓

度氯化钠溶液在不同温度下的表面张力见表2。

表2 氯化钠对槐糖脂(40 mg/L)/PAM(2.5 g/L)溶液表面张力的影响Table 2 Effect of NaCl on the surface tension of sophorolipid (40 mg/L)/PAM (2.5 g/L)solution

由表2 可知，在不同温度下，氯化钠对槐糖脂(40 mg/L)/PAM (2.5 g/L)的表面张力影响与氯化钠对槐糖脂(40 mg/L)的影响相同，表明PAM 的加入，没有影响盐度对槐糖脂表面活性的影响。槐糖脂/PAM 混合溶液的表面张力随氯化钠浓度的升高略有下降，随温度的升高亦略有下降，说明槐糖脂/PAM 混合溶液的表面活性耐高温、高盐环境。

2.2 表观黏度

2.2.1 槐糖脂对PAM 溶液表观黏度的影响当剪切速率为12 r/min 时，PAM (20 g/L)的不同浓度槐糖脂溶液在不同温度下的表观黏度见图4，当PAM浓度为15 g/L 时变化趋势相同(数据未列出)。

图4 槐糖脂对PAM(20 g/L)溶液表观黏度的影响Fig.4 Effect of sophorolipids on the apparent viscosity of PAM solution (20 g/L)at 12 r/min

由图4 可知，无论加入槐糖脂与否，表观黏度均随温度的升高而降低，说明槐糖脂的加入没有改变PAM 的性质。加入槐糖脂，PAM 溶液的黏度出现不同程度的增加，说明槐糖脂与PAM 复配，在降低表面张力的同时能提高体系的黏度，适用于三次采油技术。

当槐糖脂浓度＜50 mg/L 时，随着槐糖脂浓度的增加，溶液黏度出现先增加再降低的过程，当槐糖脂浓度达到CMC(30 mg/L)时，混合体系黏度最大。其原因在于，槐糖脂浓度较低时，与PAM 的“疏水微区”相互作用形成混合胶束，混合胶束中高分子疏水链的密度大，槐糖脂的加入对PAM 分子间的聚集起促进作用，表现出随槐糖脂浓度的增加溶液黏度增大;当槐糖脂浓度超过一定值后，与PAM 链段上的疏水基团相互作用进一步增强，混合胶束中槐糖脂的密度增大，使共聚物大分子链上的部分疏水侧链单独地增溶于槐糖脂胶束中，PAM 分子间作用力减弱，使部分PAM 聚集体解离，导致溶液黏度下降［9］。当槐糖脂浓度为60 mg/L 时，混合体系表观黏度出现一个相对较小峰，原因可能是槐糖脂成分较为复杂［10］，导致其与PAM 的“疏水微区”相互作用较为复杂所致。在实验过程中发现，该峰值受剪切速率的影响较大，当剪切速率由12 r/min提高到30 r/min 时，峰值迅速降低，说明此处不是槐糖脂的主要成分与PAM 的相互作用。当槐糖脂浓度＞70 mg/L时，随着槐糖脂浓度的增加，混合体系黏度基本保持不变，其原因可能是此阶段随着槐糖脂浓度的增加，由于溶液中存在可解离的PAM 聚集体不断减少，新增的聚集体对溶液黏度的影响程度亦逐渐降低［9］。

2.2.2 盐度对槐糖脂/PAM 混合溶液表观黏度的影响当温度为25 ℃，剪切速率为30 r/min 时，不同浓度氯化钠下槐糖脂(40 mg/L)/PAM (20 g/L)混合溶液的表观黏度见图5。

图5 氯化钠对槐糖脂(40 mg/L)/PAM (20 g/L)溶液表观黏度的影响Fig.5 Effect of NaCl on the apparent viscosity of sophorolipid(40 mg/L)/PAM (20 g/L)solution at 30 r/min and 25 ℃

由图5 可知，随着氯化钠浓度的升高，混合体系表观黏度开始迅速下降，然后缓慢下降直至基本保持不变，这与单纯的PAM 溶液相似［12］，说明槐糖脂的加入没有改变PAM 的耐盐性。当氯化钠浓度＞40 g/L 时，随氯化钠浓度的增加，混合体系的表观黏度已下降非常缓慢，当氯化钠浓度＞100 g/L 时，随氯化钠浓度的增加，混合体系的表观黏度基本保持不变，说明槐糖脂/PAM 混合体系具有耐高盐性，适用于高矿化度油藏。