王娟，孔祥平

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)院，山東 青島 266109)

在三次采油過程中，聚丙烯酰胺(PAM)可增加驅(qū)替液的黏度，改善油水流度比，提高波及系數(shù)［1-2］，而表面活性劑可降低油水界面張力，提高洗油效率。因此，PAM/表面活性劑二元復(fù)合驅(qū)已成為三次采油技術(shù)研究的熱點(diǎn)［3-5］。體系中聚合物和表面活性劑之間會(huì)形成聚合物/表面活性劑的聚集體［5-6］，聚合物的存在也影響著表面活性劑的臨界膠束濃度、表面張力和聚集數(shù)等物理參數(shù)及溶液流變性、界面吸附和增溶等性質(zhì)［4］。因此研究聚合物與表面活性劑之間的相互作用對認(rèn)識(shí)復(fù)合驅(qū)油體系特征有重要意義［6-7］。已有不少關(guān)于聚合物與表面活性劑之間相互作用的報(bào)道［4-9］，但有關(guān)聚合物與生物表面活性劑之間相互作用的研究較少。

槐糖脂是研究較多的糖脂類生物表面活性劑，其基本結(jié)構(gòu)為槐糖鍵上連接不同長度碳鏈的脂肪酸，分為內(nèi)酯型和酸型［10-11］。相對于化學(xué)合成表面活性劑，槐糖脂具有高乳化活性、低臨界膠束濃度、低毒、易生物降解等特點(diǎn)，在制藥、清洗劑、石油開采等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力［10-11］。然而目前尚未見槐糖脂與PAM 相互作用的報(bào)道，限制了其在三次采油中的應(yīng)用。為此，本文采用表面張力法和表觀黏度法研究槐糖脂與PAM 的相互作用，為其在三次采油中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

聚丙烯酰胺(M=500 萬，水解度30%)、氯化鈉均為分析純;槐糖脂，中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供［10］。

JYW-200 自動(dòng)表、界面張力儀;NDJ-4 旋轉(zhuǎn)黏度計(jì);AR2140 電子分析天平;HH-S 數(shù)顯恒溫水浴鍋。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 表面張力測定 用表面張力儀以吊環(huán)法測定槐糖脂和槐糖脂/PAM 混合溶液的表面張力。

1.2.2 表觀黏度測定 用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)［1］測定PAM和槐糖脂/PAM 混合溶液的表觀黏度。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面性能

2.1.1 溫度對槐糖脂溶液表面張力的影響 不同濃度槐糖脂溶液在不同溫度下的表面張力見圖1。

圖1 溫度對槐糖脂溶液表面張力的影響Fig.1 Effect of temperature on the surface tension of sophorolipid solution

由圖1 可知，隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，動(dòng)能增加，分子間作用力減弱，表面張力降低，這與一般表面活性劑變化趨勢一致，說明高溫沒有影響槐糖脂溶液的表面活性，槐糖脂適用于油藏高溫環(huán)境。另外，可以看出，槐糖脂在25 ℃的臨界膠束濃度(CMC)約為30 mg/L，這與宋丹丹等［10］的研究結(jié)果一致。當(dāng)溫度由25 ℃升高至40 ℃時(shí)，CMC 約升高為40 mg/L，當(dāng)溫度由40 ℃升高至80 ℃時(shí)，CMC 基本保持不變。

2.1. 2 鹽度對槐糖脂溶液表面張力的影響40 mg/L槐糖脂的不同濃度氯化鈉溶液在不同溫度下的表面張力見表1。

表1 氯化鈉對40 mg/L 槐糖脂溶液表面張力的影響Table 1 Effect of NaCl on the surface tension of 40 mg/L of sophorolipid solution

由表1 可知，槐糖脂溶液的表面張力隨氯化鈉濃度的升高略有下降，這是由于電解質(zhì)破壞了膠束周圍的水化膜，降低了槐糖脂的CMC［10］，從而降低了槐糖脂溶液的表面張力。但由于槐糖脂為非離子表面活性劑，氯化鈉對其水溶液表面張力影響較小。槐糖脂耐高溫、高鹽，適用于高溫、高礦化度的油藏環(huán)境。

2.1.3 PAM 對槐糖脂溶液表面張力的影響 見圖2。

圖2 PAM 對槐糖脂溶液表面張力的影響(25 ℃)Fig.2 Effect of polyacrylamide (PAM)on the surface tension of sophorolipid solution at 25 ℃

由圖2 可知，純PAM 溶液隨PAM 濃度的增加表面張力略有下降，說明PAM 具有一定的表面活性，但表面活性不大?；碧侵?PAM 混合溶液表面張力隨PAM 濃度的增加略有升高，PAM 的加入使槐糖脂的CMC 由約30 mg/L 升高為約40 mg/L。原因可能是部分水解PAM 與酸性槐糖脂發(fā)生了相互作用，但由于槐糖脂主要為內(nèi)酯型［10］，因此CMC 和表面張力均變化不大，當(dāng)槐糖脂濃度＞40 mg/L 時(shí)，PAM/槐糖脂混合溶液的表面張力基本保持不變。

2.1.4 溫度對槐糖脂/PAM 混合溶液表面張力的影響 溫度對槐糖脂/PAM (20 g/L)混合溶液表面張力的影響見圖3，當(dāng)PAM 濃度為0.5 g/L 時(shí)變化趨勢相同(數(shù)據(jù)未列出)。

由圖3 可知，溫度對槐糖脂/PAM (20 g/L)混合溶液表面張力的影響與溫度對純槐糖脂溶液表面張力的影響相似，均是溫度升高，表面張力略有下降，表明PAM 的加入，沒有影響溫度對槐糖脂表面活性的影響。另外，溫度變化沒有影響PAM/槐糖脂混合溶液槐糖脂的CMC，均約為40 mg/L。由此可見，槐糖脂/PAM 混合溶液在高溫下具有表面活性，適用于高溫環(huán)境。

圖3 溫度對槐糖脂/PAM (20 g/L)溶液表面張力的影響Fig.3 Effect of temperature on the surface tension of sophorolipid/PAM (20 g/L)solution

2.1.5 鹽度對槐糖脂/PAM 混合溶液表面張力的影響 槐糖脂(40 mg/L)/PAM (2.5 g/L)的不同濃

度氯化鈉溶液在不同溫度下的表面張力見表2。

表2 氯化鈉對槐糖脂(40 mg/L)/PAM(2.5 g/L)溶液表面張力的影響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，在不同溫度下，氯化鈉對槐糖脂(40 mg/L)/PAM (2.5 g/L)的表面張力影響與氯化鈉對槐糖脂(40 mg/L)的影響相同，表明PAM 的加入，沒有影響鹽度對槐糖脂表面活性的影響?；碧侵?PAM 混合溶液的表面張力隨氯化鈉濃度的升高略有下降，隨溫度的升高亦略有下降，說明槐糖脂/PAM 混合溶液的表面活性耐高溫、高鹽環(huán)境。

2.2 表觀黏度

2.2.1 槐糖脂對PAM 溶液表觀黏度的影響 當(dāng)剪切速率為12 r/min 時(shí)，PAM (20 g/L)的不同濃度槐糖脂溶液在不同溫度下的表觀黏度見圖4，當(dāng)PAM濃度為15 g/L 時(shí)變化趨勢相同(數(shù)據(jù)未列出)。

圖4 槐糖脂對PAM(20 g/L)溶液表觀黏度的影響Fig.4 Effect of sophorolipids on the apparent viscosity of PAM solution (20 g/L)at 12 r/min

由圖4 可知，無論加入槐糖脂與否，表觀黏度均隨溫度的升高而降低，說明槐糖脂的加入沒有改變PAM 的性質(zhì)。加入槐糖脂，PAM 溶液的黏度出現(xiàn)不同程度的增加，說明槐糖脂與PAM 復(fù)配，在降低表面張力的同時(shí)能提高體系的黏度，適用于三次采油技術(shù)。

當(dāng)槐糖脂濃度＜50 mg/L 時(shí)，隨著槐糖脂濃度的增加，溶液黏度出現(xiàn)先增加再降低的過程，當(dāng)槐糖脂濃度達(dá)到CMC(30 mg/L)時(shí)，混合體系黏度最大。其原因在于，槐糖脂濃度較低時(shí)，與PAM 的“疏水微區(qū)”相互作用形成混合膠束，混合膠束中高分子疏水鏈的密度大，槐糖脂的加入對PAM 分子間的聚集起促進(jìn)作用，表現(xiàn)出隨槐糖脂濃度的增加溶液黏度增大;當(dāng)槐糖脂濃度超過一定值后，與PAM 鏈段上的疏水基團(tuán)相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)，混合膠束中槐糖脂的密度增大，使共聚物大分子鏈上的部分疏水側(cè)鏈單獨(dú)地增溶于槐糖脂膠束中，PAM 分子間作用力減弱，使部分PAM 聚集體解離，導(dǎo)致溶液黏度下降［9］。當(dāng)槐糖脂濃度為60 mg/L 時(shí)，混合體系表觀黏度出現(xiàn)一個(gè)相對較小峰，原因可能是槐糖脂成分較為復(fù)雜［10］，導(dǎo)致其與PAM 的“疏水微區(qū)”相互作用較為復(fù)雜所致。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，該峰值受剪切速率的影響較大，當(dāng)剪切速率由12 r/min提高到30 r/min 時(shí)，峰值迅速降低，說明此處不是槐糖脂的主要成分與PAM 的相互作用。當(dāng)槐糖脂濃度＞70 mg/L時(shí)，隨著槐糖脂濃度的增加，混合體系黏度基本保持不變，其原因可能是此階段隨著槐糖脂濃度的增加，由于溶液中存在可解離的PAM 聚集體不斷減少，新增的聚集體對溶液黏度的影響程度亦逐漸降低［9］。

2.2.2 鹽度對槐糖脂/PAM 混合溶液表觀黏度的影響 當(dāng)溫度為25 ℃，剪切速率為30 r/min 時(shí)，不同濃度氯化鈉下槐糖脂(40 mg/L)/PAM (20 g/L)混合溶液的表觀黏度見圖5。

圖5 氯化鈉對槐糖脂(40 mg/L)/PAM (20 g/L)溶液表觀黏度的影響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 ℃

由圖5 可知，隨著氯化鈉濃度的升高，混合體系表觀黏度開始迅速下降，然后緩慢下降直至基本保持不變，這與單純的PAM 溶液相似［12］，說明槐糖脂的加入沒有改變PAM 的耐鹽性。當(dāng)氯化鈉濃度＞40 g/L 時(shí)，隨氯化鈉濃度的增加，混合體系的表觀黏度已下降非常緩慢，當(dāng)氯化鈉濃度＞100 g/L 時(shí)，隨氯化鈉濃度的增加，混合體系的表觀黏度基本保持不變，說明槐糖脂/PAM 混合體系具有耐高鹽性，適用于高礦化度油藏。

3 結(jié)論

(1)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，溫度升高，槐糖脂水溶液的表面張力略有降低，CMC 由約30 mg/L 升高為約40 mg/L;加入氯化鈉，表面張力略有降低;加入PAM，表面張力略有升高，CMC 由約30 mg/L 升高為約40 mg/L。

(2)槐糖脂/PAM 混合溶液的表面張力主要受槐糖脂濃度的影響，溫度升高，混合溶液的表面張力略有降低，CMC 保持不變;加入氯化鈉，混合溶液的表面張力略有降低。

(3)加入槐糖脂，PAM 溶液的表觀黏度出現(xiàn)不同程度的升高，當(dāng)槐糖脂濃度為30 mg/L 時(shí)，PAM溶液的表觀黏度最高，當(dāng)槐糖脂濃度為60 mg/L 時(shí)，PAM 溶液的表觀黏度出現(xiàn)一個(gè)相對較小峰，但該峰值受剪切速率的影響較大。

(4)隨著氯化鈉濃度的升高，槐糖脂/PAM 混合溶液的表觀黏度開始迅速下降，然后緩慢下降直至基本保持不變。

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