Белгородская область, Россия
сотрудник
Болгария
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 61.01 Общие вопросы химической технологии и химической промышленности
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
Поверхностно-активные вещества (ПАВ), используемые в нефтедобывающей промышленности в качестве эмульгаторов обратной эмульсии, являются одним из очень важных направлений, так как они применяются при таких технологических процессах, как вторичное вскрытие продуктивного пласта, глушение скважин перед подземными ремонтами, обработка призабойной зоны скважин и ограничение водопритоков. Агрегатную устойчивость эмульсии позволяют повысить эмульгаторы. Происходит это за счет образования прочной полимерной пленки вокруг капель в системе вода-нефть, что делает ее более стабильной. В качестве полимерной основы особый интерес для ПАВ представляют ксилол-формальдегидные смолы благодаря их высоким молекулярным массам и реакционной способности. Ранее использовалось в поверхностно-активных веществах дорогое сырье для применения, такие как антипирин, который нужен был для придания свойств гидрофильной составляющей. Для того чтобы удешевить продукт, в данной работе был использован сходный по характеристикам и строению 4-аминоантипирин, который присоединяется к полимерной основе из-за конденсации. Благодаря появлению характерных свойств у синтезированного полимерного поверхностно-активного вещества, оно сможет применяться в нефтедобывающих отраслях в качестве смачивателя. Целью данной работы являлся синтез полимерного ПАВ на основе ксилол-формальдегидной смолы и 4-аминоантипирина в качестве эмульгатора обратных эмульсий. Разработана рецептура для производства высокомолекулярного поверхностно-активного вещества на основе ксилол-формальдегидной смолы и 4-аминоантипирина. Изучены технологические характеристики синтезированного вещества.
поверхностно-активные вещества, ксилол-формальдегидная смола, 4-аминоантипирин, техно-логические характеристики
Введение. Интерес к изучению поверхностно-активных веществ набрал в последнее время значительные обороты [1, 2, 3]. Их способность напрямую зависит от их строения. Молекула имеет дифильное строение, то есть состоит из гидрофильной и гидрофобной части. Гидрофильная (полярная) способна взаимодействовать с водой, а гидрофобная (не полярная) с жиром. (рис. 1).
Рис. 1 Дифильное строение молекулы ПАВ
Такого типа молекула имеет сродство с разными по природе веществами, соединяя ранее не соединяющиеся вещества.
Объем потребления ПАВ в последние годы растет стабильно на 4–5 % и этот процент не мал, если сравнивать его с другими отраслями [1] (рис. 2).
Чтобы возможно было использование полимерного поверхностно-активного вещества в качестве смачивателя при добыче нефти, он должен: обладать растворимостью в воде, высокой степенью сродства к межфазным границам; высокой молекулярной массой, которая обеспечивает эффективность при низких концентрациях; способностью понижать поверхностное натяжение и изменять краевой гол смачивания.
ПАВ используют в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и быту. Очень широкое использование всех видов ПАВ при получении и применении синтетических полимеров и олигомеров [5]. Во многом от ПАВ типа и концентраций зависят технологические и физико-химические свойства получаемых латексов [6].
Одним из важных в настоящее время направлений применения является использование ПАВ в нефтеперерабатывающей отрасли, в виде смачивателей породы и для повышения коэффициента нефтеотдачи пласта, но он должен обладать хорошей растворимостью в воде, высокой молекулярной массой и степенью сродства к межфазным границам, еще способностью понижать поверхностное натяжение и краевой угол смачивания [7, 8].
Рис. 2. Объем потребления ПАВ
Методология. Роль липофильного (поглощающего) участка в продукте, в котором проходит синтез, выполняли продукты взаимодействия ксилола и формальдегида, а гидрофильного молекула 4-аминоантипирина.
Синтез поверхностно-активного вещества проводился в три стадии:
1. Построение полимерной ароматической цепи;
2. Конденсация цепи молекулой 4-аминоантипирина;
3. С помощью натриевой щелочи перевод продукта в соляную форму.
В ходе опытов было подобрано оптимальное соотношение исходных компонентов для получения стабильного полимерного поверхностно-активного вещества. Многократным лабораторным экспериментальным образом был подобран температурный интервал синтеза, Выявлено, что при использовании температур ниже 80°С синтез не протекает до конца, что говорит о не протекании реакции, а при использовании более высоких температур происходит осмоление продуктов синтеза, то есть деструкция, и их дальнейшее применение невозможно.
Основная часть. Синтез олигомерного ПАВ проходил по следующей предполагаемой схеме:
Наиболее интенсивные полосы поглощения сложных эфиров находятся в области 1444 и 1656см-1 – валентные колебания метильной и метиленовой группы. Доказательством наличия аминогруппы служит полоса поглощения 697 и см-1. ИК-спектр подтверждает соединение полимерной цепи с молекулой 4-аминоантипирином, через аминогруппу, о чем говорит пик 1128 см-1 (рис.3).
Рис. 3. ИК-спектр синтезированного вещества
Исследование ИК-спектра показало, что синтез прошел в соответствии с теоретическими расчетами и состав полученного продукта совпадает с предполагаемым составом:
Для изучения интенсивности смачиваемости твердой поверхности ситезировованным полимерным ПАВ был выбран метод лежащей капли. При росте концентрации поверхностно-активного вещества в дистиллированной воде улучшаются свойства смачивателя. При концентрации 1% происходит моментальное впитывание в поверхность. Было доказано (табл. 1), что при уменьшении концентрации ПАВ в воде, способность смачивания заметно снижалась.
Проанализировав результаты полученных зависимостей (табл 1.) можно утверждать, что полученный ПАВ обладает хорошей впитывающей способностью. Как мы видим, рост контакта раствора, содержащего ПАВ с поверхностью, зависит от повышения концентрации процентного содержания поверхностно-активного вещества. Что говорит о том, что полученный и исследуемый ПАВ обладает свойствами смачивания пород. При 0,05% содержании вещества происходит впитывание и пропадает потребность повышать концентрацию.
Таблица 1
Влияние концентрации ПАВ на краевой угол смачивания на поверхности глины юрской
и песка
|
Измеряемая величина |
Концентрация поверхностно-активного вещества (С), % |
|||||
|
0,1 |
0,05 |
0,0125 |
0,00625 |
0,003125 |
||
|
Глина Юрская |
θ, град |
7,1 |
9,5 |
15,5 |
17 |
18,1 |
|
Cosθ |
0,99378 |
0,98888 |
0,98888 |
0,98888 |
0,98888 |
|
|
Песок |
θ, град |
8,1 |
8,1 |
8,1 |
8,1 |
8,1 |
|
Cosθ |
0,99191 |
0,99191 |
0,99191 |
0,99191 |
0,99191 |
|
Поверхностное натяжение является важной характеристикой ПАВ. Поверхностное натяжение определяли на приборе тензиометр процессорный К100. Видно (рис 4.), что поверхностное натяжение изменяется обратно пропорционально росту концентрации раствора ПАВ. При концентрации 1,2 % поверхностное натяжение удалось снизить до 38,7мДж/м2.
Рис. 4. Изотерма поверхностного натяжения синтезированного ПАВ
Очень важной количественной характеристикой поверхностно-активного вещества является гидрофильно-липофильный баланс (ГЛБ) Гриффина Дэвиса (табл. 2). Применение и использование ПАВ очень сильно зависит от числа ГЛБ. Если поверхностно-активные вещества имеют числа ГЛБ от 7 и до 9, то их применяют в качестве смачивателей. Если от 13 до 15, то они используются в качестве моющих средств, а от 15 и до 18 – в качестве стабилизаторов в водных растворах.
Таблица 2
Результаты измерений для определения ГЛБ
|
|
Высота эмульсионного слоя, см |
Общая высота содержимого, см |
|
Без добавления синтезированного ПАВ |
5 |
12 |
|
С добавлением синтезированного ПАВ |
0,2 |
12 |
Расчет проводится по формуле:
где 
– высота, образовавшегося эмульсионного слоя, L -высота всего содержимого цилиндра или пробирки (сосуда).
После сравнения рассчитанного значения ГЛБ, которое равно 8,33, со шкалой Гриффина, можно сделать вывод, что синтезированный и исследуемый олигомерный ПАВ соответствует смачивателям.
Выводы. Таким образом, в ходе исследований установлено, что синтезированный олигомерный ПАВ повышает эффективность смачивания, следовательно, возможно его дальнейшее использование в качестве смачивающей добавки.
1. Ли X., Невилл К.Справочное руководство по эпоксидным смолам. М.: Энергия, 1973. 416 с.
2. Мошинский Л.Я. Эпоксидные смолы и отвердители. Тель-Авив: Аркадия Пресс Лтд., 1995. С. 40 - 142.
3. Еселев А.Д. , Бобылев В.А. Сырьевая база клеев и лакокрасочных материалов // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 4. С. 25 - 31.
4. Кербер М.Л., Виноградов В.М., Головкин Г.С. и др. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учебное пособие / под ред. А.А. Берлина. СПб.: Профессия, 2008. 560 с.
5. Князев В.К. Эпоксидные конструкционные материалы в машиностроении. М.: Машиностроение, 1977. 183 с.
6. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1/ Под ред. Дж. Любина; Пер. с англ. А.Б. Геллера, М.М. Гельмонта; Под ред. Б.Э. Геллера. М.: Машиностроение, 1988. 448 с.
7. Кочергин Ю.С., Золотарева В.В. Свойства композитов на основе диглицидиловых эфиров дифенилолметана // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 4. С. 96-101.
8. Пактер М.К., Парамонов Ю.М., Яровая Е.П. и др. Физико-химическая характеристика эпоксифенольных олигомеров и полимеров на их основе // Пластические массы. 1984. № 5. С. 34-37.
9. Кочергин Ю.С., Аскадский А.А., Слонимский Г.Л. и др. Исследование ползучести линейных и сетчатых полимеров на основе полиарилатов и эпоксидных полимеров // Высокомолекулярные соединения. Серия А. 1978. Т. 20, № 4. С. 880-887.
10. Козлов П.В., Ефимов А.В. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1974. Т2. С. 627-633.
11. Козлов П.В., Папков С.П. Физико-химические основы пластификации полимеров. М.: Химия, 1982. 224 с.
12. Барштейн Р.С., Кириллович В.И., Носовский Ю.Е. Пластификаторы для полимеров. М.: Химия, 1982. 216 с.
13. Козлов П.В., Ефимов А.В. Пластификация // Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1974. Т. 2. С. 627-633.
14. Jackson W.J., Caldwell J.R. Antiplasticization. II. Characteristics of plasticizers // J. Appl. Polymer Scince. 1967. Vol. 11, №2. P.211-227.
15. Ефимов А.В., Козлов П.В., Бакеев Н.Ф. Явление пластификации и антипластификации в полимерных стеклах // Докл. АН СССР. 1974. Т. 230, № 3. С. 639-641.
16. Хозин В.Г. Усиление эпоксидных полимеров.Казань: Изд-во ПИК «Дом печати», 2004. 446 с.
17. Бакнелл К.Б. Ударопрочные пластики. Пер. с англ. Под ред. И.С. Лишанского. Л.: Химия, 1981. 327 с.
18. Зайцев Ю.С., Кочергин Ю.С., Пактер М.К., Кучер Р.В. Эпоксидные смолы и клеевые композиции. Киев: Наукова думка, 1990. 200с.
19. Иржак В.И., Розенберг Б.А., Ениколопян Н.С. Сетчатые полимеры. Синтез, структура, свойства. М.: Наука, 1979. 248с.
20. Пактер М.К., Полянский А.А., Будник Ю.М. О структурных особенностях эпоксидно-диановых олигомеров // Синтез, свойства и методы исследования реакционноспособных олигомеров: Сб. науч. тр. М.: НИИТЭХИМ, 1985. С. 3-10.
