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烷基二甲苯磺酸鹽表面活性劑界面張力、界面性能測定
來源:化學工程師 瀏覽 17 次 發(fā)布時間:2025-05-09
本文以雙取代苯(鄰、間、對二甲苯)和α-烯烴(C20~24)為原料,在離子液體催化作用下進行Friedel-Crafts烷基化反應,再經(jīng)磺化反應及中和反應等步驟,最終合成了系列烷基二甲苯磺酸鹽表面活性劑。利用紅外光譜對中間體及磺酸鹽進行表征。并對磺酸鹽進行界面性能的測定。隨著表面活性劑濃度的增大,3種磺酸鹽表面活性劑的界面張力隨濃度的增大先減小后增大,界面張力值均能達到10-2~10-3mN·m-1數(shù)量級。
烷基苯磺酸鹽是提高油田采收率中應用最廣泛的一類表面活性劑。其泡沫穩(wěn)定性以及化學穩(wěn)定性好,且原料來源充足,生產(chǎn)成本低[1]。為研究烷基苯磺酸鹽結構與性能之間的關系,首先要完成系列純的烷基苯磺酸鹽型的化合物,這對提高采收率有重要意義[2]。目前,研究的烷基苯磺酸鹽以烯烴和芳烴經(jīng)過烷基化來合成中間體烷基苯的碳鏈鏈長主要在10~18之間[3,4],對于鏈長更長的研究甚少。為此,本工作以二取代苯和α-烯烴(C20~24)為初始原料,采用Et3NHCl-2AlCl3離子液體作為催化劑烷基化,并經(jīng)磺化反應、中和反應、分離提純,最終合成一系列的新型烷基芳基磺酸鹽表面活性劑,并考察其界面性能,為該系列的磺酸鹽表面活性劑在三次采油中的應用提供參考。
1實驗部分
1.1試劑與儀器
鹽酸三乙胺(Et3NHCl)(國藥集團化學試劑有限公司);無水AlCl3、無水乙醇、NaOH、石油醚均為天津市大茂化學試劑廠生產(chǎn);苯、甲苯、乙苯、異丙苯;C20~24烯烴(進口分裝);氯磺酸(沈陽市華東化學試劑廠);1,2-二氯乙烷(天津市科密歐化學試劑有限公司),以上所有試劑均為分析純。
DF-3集熱式磁力攪拌器(浙江舟山市定海區(qū)海源儀器廠);真空泵(海安科研儀器廠);微波電腦微波化學反應器(鄭州南北儀器設備有限公司);旋轉蒸發(fā)儀(上海申勝生物技術有限公司);傅立葉變換紅外光譜儀(SpectrumOne)(美國Perkin Elmer公司);旋滴界面張力儀(芬蘭Kibron公司)。
1.2合成路線
在離子液體催化劑Et3NHCl-2AlCl3的催化下,將碳數(shù)為20~24的α-烯烴和二甲苯經(jīng)過Friedel-Crafts烷基化反應合成C20~24烷基二甲苯,用氯磺酸磺化、強堿中和合成C20~24烷基二甲苯磺酸鈉。以C20~24烷基對二甲苯磺酸鈉為例,合成路線如下:
R1=CmH2m+1,R2=CnH2n+1,m+n=19或21或23.
另外兩種磺酸鹽結構式如下:
長鏈烷基鄰二甲苯磺酸鹽C20~24alkyl o-dimethylphenyl sulfonate
長鏈烷基間二甲苯磺酸鹽C20~24alkyl m-dimethylphenyl sulfonate
催化劑的合成路線為
Et3NHCI+xAlCl3→Et3NHCI-xAlCl3
x是ACl3和Et3NHCl的摩爾比。
1.3合成
1.3.1制備離子液體催化劑稱取一定量的無水三氯化鋁于單口梨形瓶中,以摩爾比2∶1分3次稱取鹽酸三乙胺,加入鹽酸三乙胺后放入裝有冷凝裝置的微波電腦微波反應器中以640 W功率間歇加熱10s,最后一次加入鹽酸三乙胺以同樣功率加熱40s。得到棕色液體即Et3NHCl-2ACl3離子液體[5]。
1.3.2合成烷基二甲苯在干燥四口燒瓶中裝入溫度計、攪拌裝置,以摩爾比2∶0.025加入一定質量的對二甲苯和新制的離子液體催化劑,恒壓滴液漏斗加入摩爾比為1∶3的C20~24烯烴和對二甲苯,持續(xù)強力攪拌,并控制滴加速度,保持溫度在25℃。滴液完以后升溫至30℃進行反應1h。反應完畢后先靜置分層,烷基化產(chǎn)物和未反應的對二甲苯在上層,下層則為可回收利用的離子液體催化劑。
1.3.3合成烷基二甲苯磺酸鹽將合成的C20~24烷基對二甲苯和適量的1,2-二氯乙烷加入裝有電動攪拌器、溫度計、尾氣吸收裝置的250mL的四口燒瓶中,以摩爾比為1∶1稱取氯磺酸和一定量的1,2-二氯乙烷加入恒壓滴液漏斗。冰水浴維持滴加溫度低于10℃,用恒壓滴液漏斗緩慢滴加磺化劑混合液,強烈攪拌,滴完后在室溫繼續(xù)攪拌至無HCl放出為止,這個過程為4h及更多,反應完畢得到棕黃色液體。
稱取一定量的質量分數(shù)為20%的NaOH溶液加入到已裝有溫度計和電動攪拌槳的三口燒瓶中,用(冰)水浴控制體系溫度在25℃,將合成的烷基苯磺酸裝入恒壓滴液漏斗中,在強烈的攪拌下,緩慢滴加,使其進行中和反應,反應至體系酸堿值呈中性結束反應,得到的C20~24烷基對二甲苯磺酸鹽的粗產(chǎn)品是白色膏狀物。
用圓底燒瓶采用旋轉蒸發(fā)法蒸除C20~24烷基二甲苯磺酸鹽粗產(chǎn)品中的溶劑;所得到的淺黃色固體用無水乙醇溶解,布氏漏斗過濾除去無機鹽;用沸程為60~90℃的石油醚多次萃取C20~24烷基二甲苯磺酸鈉的乙醇-水溶液,至石油醚層無色為止以除去未磺化油;用體積比1∶1的無水乙醇-水溶液重結晶所得磺酸鹽,最后真空干燥得白色磺酸鹽,重復提純3次,最后得C20~24烷基二甲苯磺酸鈉純樣。
2結果與討論
2.1紅外表征
用傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)分別對中間體和產(chǎn)物進行結構表征。
以烷基間二甲苯和烷基間二甲苯磺酸鹽為例說明。在波數(shù)為2924、2853、1464cm-1附近是-CH2-,-CH3的拉伸及彎曲振動;在波數(shù)為818cm-1處的峰,符合六元芳環(huán)中1,2,5-三取代特征峰;波數(shù)為1606、1502、1464cm-1是芳環(huán)的C=C骨架振動峰,以上說明有芳環(huán)存在,并且取代位置符合所預設的苯環(huán)上的取代位置。在1376cm-1是CH3的變形對稱振動峰;在721cm-1處是C-(CH2)n-C(n>4)的骨架振動峰,說明有長烷烴鏈的存在。預設結構分子的特征峰均存在于此紅外光譜圖中。相應的的磺酸鹽的傅里葉紅外光譜圖上(見圖2),-CH2-,-CH3的拉伸及彎曲振動峰幾乎不變,磺酸根的特征峰是1208,1188cm-1處的1個雙頭強峰和1027cm-1附近的中強窄峰。綜上所述可知,所合成的產(chǎn)品符合烷基間二甲苯和烷基間二甲苯磺酸鹽的結構特征。
圖1烷基間二甲苯紅外光譜圖
圖2烷基間二甲苯磺酸鹽紅外光譜圖
圖3烷基鄰二甲苯紅外光譜圖
圖4烷基鄰二甲苯磺酸鹽的紅外光譜圖
圖5烷基對二甲苯紅外光譜圖
圖6烷基對二甲苯磺酸鹽的紅外光譜圖
2.2界面張力
用旋滴界面張力儀測定45℃下烷基二甲苯磺酸鹽的界面張力。配制濃度分別為0.1,0.15,0.2,0.25,0.3g·L-1的3種磺酸鹽表面活性劑的溶液。測定與大慶采油二廠原油的界面張力,其測定結果見圖7。
圖7 3種磺酸鹽表面活性劑的界面張力-濃度曲線
隨著表面活性劑濃度的增大,3種磺酸鹽表面活性劑的界面張力都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢,但是各磺酸鹽的趨勢形態(tài)不同。烷基間二甲苯磺酸鹽和烷基對二甲苯磺酸鹽的界面張力在濃度為0.2處出現(xiàn)了最低值,1.26×10-3和7.56×10-3mN·m-1烷基鄰二甲苯磺酸鹽的界面張力在濃度為0.15處出現(xiàn)了一個最低值7.34×10-3mN·m-1。3種磺酸鹽的界面張力值均能達到10-2~10-3mN·m-1數(shù)量級。3種磺酸鹽的疏水烷基碳鏈總數(shù)相同,取代基二甲基在苯環(huán)上的相對位置不同,導致表面活性劑分子結構上親水基與疏水基團的構型不同,有不同的空間位阻,可能使表面活性劑的親水疏水性質發(fā)生改變,并且表面活性劑分子在油水界面上的吸附速度和狀態(tài)發(fā)生改變,引起界面活性的不同。