聚合物对泡沫稳定性的影响研究

樊泽霞，李玉英，丁长灿，朱猛飞，杜建德

(中国石油大学，山东 青岛 266580)

引 言

泡沫在油田的应用范围非常广泛[1－3]，其中起泡剂的起泡性能、泡沫的稳定性能直接决定了泡沫的有效性。为提高泡沫的稳定性，除了选择较好的表面活性剂外，稳定剂的性能也十分关键。聚合物类[4]的稳泡剂是研究较早也是应用比较广泛的一种稳定剂，如聚丙烯酰胺、羧甲基纤维素钠、黄原胶。对该类稳泡剂的稳泡效果认识较早，但很少对其在不同条件下的稳泡性能进行对比研究，而在实际应用中条件差异对稳定剂影响存在不同[5]。为方便不同环境下的应用，对其在不同条件下的稳泡效果进行了对比研究，进一步明确稳泡机理。

1 聚合物类稳泡剂的稳泡机理

聚合物类稳泡剂的稳泡机理[6－8]主要是增加溶液黏度。较高的黏度会降低表面活性剂在界面排列的密度，因此会在一定程度上增加体系的界面张力，表面张力的增加不利于泡沫的稳定，但是影响程度不大。随着体系黏度增加，相同条件下液膜排液速度降低，气泡间的气体交换速度也降低，泡沫稳定性变好，但由于液相黏度的增加，起泡时需要克服的黏滞阻力相应变大，体系的发泡能力降低，产生的泡沫较大，且不均匀，会影响泡沫的稳定性，同时使用时受到成本等因素的限制，存在一个最佳的使用范围。

2 实验内容

2.1 药品

实验药品主要包括:AOS液体，氯化钠(分析纯)，氯化钙(分析纯)，羟甲基纤维素钠(工业品)，黄原胶(工业品)，聚丙烯酰胺(水解度为25%，分子质量为12×106)。

2.2 实验仪器

实验仪器主要包括秒表、电子天平、高速搅拌器、量筒(500 mL)、烧杯以及移液管等。

2.3 实验方法

室温条件下，配置不同要求的溶液100 mL，倒入搅拌杯里搅拌1 min，迅速将泡沫倒入量筒中，静置观察，记录泡沫的初始体积，用秒表记录泡沫的析水半衰期和泡沫半衰期。用100 mL溶液高速搅拌1 min时的起泡体积衡量起泡剂的发泡性能，用泡沫半衰期衡量泡沫的稳定性。

3 实验结果分析

3.1 不同的聚合物对泡沫稳定性的影响

图1为不同聚合物对泡沫体积的影响。由图1可见，随着聚合物加量的增加，泡沫体系的起泡体积逐渐降低，部分水解聚丙烯酰胺对起泡体积的影响最大，黄原胶和羧甲基纤维素钠对起泡体积影响较小。图2为不同聚合物对泡沫半衰期的影响。由图2可见，黄原胶的稳泡能力超过部分水解聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠。这是因为黄原胶是水溶性的高分子，不仅增加液相黏度，同时在结构上还具有重要特点，其丙酮酸基团相互之间可能形成氢键，并与邻近侧链的乙酰基产生氢键，在一定程度上提高了膜的黏度和强度，从而提高泡沫体系的稳定性。部分水解聚丙烯酰胺[9]主要是增加液相黏度，而且在增黏方面比黄原胶和羧甲基纤维素钠的幅度大得多，因此大幅降低了泡沫体系的起泡体积，但稳泡效果一般。羧甲基纤维素钠[10]的加入没有对起泡体积造成明显影响，也没有大幅度延长泡沫半衰期，效果介于二者之间。

图1 不同聚合物对泡沫体积的影响

图2 不同聚合物对泡沫半衰期的影响

3.2 钠离子对聚合物稳泡能力的影响

图3为钠离子对不同聚合物泡沫体系起泡体积的影响。图4为钠离子对不同聚合物泡沫体系半衰期的影响。对比图1、3和图2、4可见，钠离子的加入对3种泡沫体系都造成了不利影响，但没有改变3种稳泡剂的稳泡能力顺序。钠离子能够压缩扩散层厚度，增加分子的卷曲程度，降低高分子溶液的黏度，从而影响稳泡剂的稳泡效果，此外，盐浓度过高时易使离子型表面活性剂在溶液中盐析而沉淀，对泡沫稳定起到负面影响[11]。对外表现为部分水解聚丙烯酰胺对金属阳离子最敏感，在钠离子浓度达到4%时，起泡体积和泡沫半衰期迅速下降，失去稳定泡沫的效果。羧甲基纤维素钠随着钠离子浓度的升高，泡沫半衰期变化幅度不大，但当钠离子浓度达到6%时，起泡体积迅速下降，泡沫的性能受到影响。加入黄原胶的泡沫体系，因为钠离子的逐渐加入，泡沫半衰期变化不明显，保持平稳，起泡体积与未加钠离子前相同，但是浓度超过6%时，起泡体积也受到了很大的影响，稳泡效果变差。

图3 钠离子对不同聚合物泡沫体系起泡体积影响

图4 钠离子对不同聚合物泡沫体系半衰期影响

3.3 钙离子对聚合物稳泡能力的影响

图5为钙离子对不同聚合物泡沫体系起泡体积的影响，图6为钙离子对不同聚合物泡沫体系半衰期的影响。对比分析图1～6，钙离子浓度很低时对3种添加不同稳泡剂的泡沫体系影响较大，但同样没有改变3种稳泡剂的稳泡能力顺序。钙离子的离子半径与钠离子相近，但其电荷数增加，会导致扩散层厚度变小，双电层厚度变薄，分子卷曲的程度增大，高分子溶液黏度大幅降低[9]。表现为部分水解聚丙烯酰胺在钙离子超过0.4%时，半衰期变化不大，起泡体积迅速下降，严重影响了泡沫体系的性能。黄原胶和羧甲基纤维素钠的泡沫半衰期受钙离子影响不大，起泡体积在钙离子浓度超过0.6%时迅速下降，性能受到严重影响。

图5 钙离子对不同聚合物泡沫体系起泡体积影响

图6 钙离子对不同聚合物泡沫体系半衰期影响

4 结论

(1)黄原胶、羧甲基纤维素钠、部分水解聚丙烯酰胺的加入均能不同程度地增加泡沫的稳定性。

(2)在钠离子和钙离子存在的条件下，3种聚合物的稳泡能力均下降，但未改变3种聚合物稳泡能力的顺序。

(3)综合来看，黄原胶的稳泡及耐盐效果最好，羧甲基纤维素钠的效果次之，部分水解聚丙烯酰胺最差。

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