Термостабильные мицеллярные системы с регулируемыми вязкоупругими свойствами на основе цвиттерионного поверхностно-активного вещества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.11, кандидат наук Идрисов Айрат Ринатович

• Идрисов Айрат Ринатович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Идрисов Айрат Ринатович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………

ГЛАВА 1 КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ИНДИВИДУАЛЬНЫХ И СМЕШАННЫХ РАСТВОРОВ ПАВ И

ПОЛИМЕРОВ………………………………………………………………

1.1 Самоорганизация молекул ПАВ и формирование червеобразных

мицелл………………………………………………………………

1.2 Водные растворы цвиттерионных ПАВ и особенности их

самоорганизации…………………………………………………

1.3 Смешанные растворы ПАВ………………………………………

1.3.1 Смешанные системы цвиттерионное-анионное ПАВ……………

1.3.2 Смешанные системы цвиттерионное-катионное ПАВ…………

1.4 Структура мицеллярных сеток зацеплений в водных растворах

цилиндрических мицелл ПАВ……………………………………

1.5 Диффузионно-волновая спектроскопия…………………………

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЙ…………………………………………………………

2.1 Характеристики исходного сырья, применяемого в работе……

2.2 Методы исследования………………………………………………

2.2.1 Тензиометрия………………………………………………………

2.2.2 Динамическое светорассеяние……………………………………

2.2.3 Реологический метод исследования………………………………

2.2.4 Оптическая пассивная микрореология……………………………

2.2.5 Фильтрационная установка УИК марки 5………………………

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ ИНДИВИДУАЛЬНЫХ И СМЕШАННЫХ РАСТВОРОВ

ЭАСБ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ……………..……………

3.1 Реологические и структурные свойства водных мицеллярных

растворов ЭАСБ……………..……………..……………..…………

3.1.1 Реологические свойства мицеллярных растворов ЭАСБ…………

3.1.2 Гидродинамический радиус мицеллярных агрегатов ЭАСБ……

3.1.3 Влияние температуры на реологические свойства водных

мицеллярных растворов ЭАСБ……………………………………

3.1.4 Влияние температуры на структурные свойства водных

мицеллярных растворов ЭАСБ……………………………………

3.2 Влияние типа неорганической соли на реологические и

структурные свойства водных мицеллярных растворов ЭАСБ…

3.3 Коллоидно-химические свойства смешанных растворов ЭАСБ с

катионными и анионными ПАВ….….….….….….….….….….…

3.3.1 Самоорганизация в индивидуальных и смешанных водных

растворах ПАВ……………..……………..……………..…………

3.3.2 Влияние состава смеси на реологические и структурные свойства

смешанных растворов ПАВ……………..………………

3

3.3.3 Структурные свойства смешанных растворов ПАВ………………

3.4 Мицеллярные растворы ЭАСБ, модифицированные полимерами

3.4.1 Реологические свойства водных растворов ЭАСБ,

модифицированных полимерами…………….…………….………

3.5 Интенсификации добычи нефти из высокотемпературных

карбонатных коллекторов…………….…………….………………

3.5.1 Разработка термостабильного самоотклоняющегося кислотного

состава…………….…………….…………………………….……

3.5.2 Исследование реакционной способности термостабильного

СКСв на основе ЭАСБ………….…………………………….……

3.5.3 Фильтрационные исследования термостабильного СКСв на

основе ЭАСБ………….…………………………….……...………

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………….…………………………….……...……………

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ

ОБОЗНАЧЕНИЙ………….…………………………….………..…..…..…

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………….…………………………….……

Приложение 1………….…………………………….……...……………

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термостабильные мицеллярные системы с регулируемыми вязкоупругими свойствами на основе цвиттерионного поверхностно-активного вещества»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние десятилетия растворы

цилиндрических мицелл поверхностно-активных веществ (ПАВ) получили

заслуженное внимание во многих экспериментальных и теоретических

работах в силу того, что подобно полимерам, цилиндрические мицеллы

формируют трехмерные сетки зацеплений, в результате чего их растворы

приобретают вязкоупругие свойства. Полимероподобное поведение

мицеллярных систем, образованных в результате слабых физических

взаимодействий и обладающих высокой чувствительностью даже к

небольшим изменениям свойств среды, позволило широко регулировать их

свойства, что определило их возрастающую прикладную значимость в

различных отраслях промышленности.

До настоящего времени в подавляющем большинстве работ,

посвященных созданию и изучению свойств растворов цилиндрических

мицелл, использовались ПАВ с длиной гидрофобного радикала до 18 атомов

углерода. Формирование цилиндрических мицелл в подобных системах

происходит при добавлении к водным растворам ПАВ низкомолекулярной

органической или неорганической соли, в результате чего становится

возможной их более плотная упаковка. В отличие от подобных систем

специфическим коллоидно-химическим поведением выделяются

длинноцепочечные цвиттерионные ПАВ, такие как

эруциламидопропилсульфобетаин (ЭАСБ).

Специфика рассматриваемого ПАВ обусловлена строением его

молекулы. С одной стороны, длинный углеводородный радикал (С22), с

другой, цвиттерионная природа гидрофильной части молекул ЭАСБ делает

возможной их более плотную упаковку в агрегатах. В результате растворы

длинноцепочечных сульфобетаинов обладают низкими критическими

значениями концентрации мицеллообразования (ККМ) и концентрации

перекрывания (C*), высокими значениями вязкости и модуля упругости [1].

5

Растворам длинноцепочечных сульфобетаинов в литературе посвящено

всего несколько работ, при этом исследований зависимости агрегативных и

макроскопических свойств от общей концентрации рассматриваемого ПАВ,

присутствия в растворе со-ПАВ и полимеров не проводилось. Продвижение в

этой области представляет собой актуальную коллоидно-химическую задачу.

В диссертации изучен ряд свойств растворов ЭАСБ, основное внимание

уделено строению и характеристическим размерам образующейся

мицеллярной сетки, определению зависимости между структурными

изменениями агрегатов и вязкостью растворов, в том числе при повышенных

температурах. Особое внимание к изучению структуры агрегатов отвечает

современным тенденциям в исследованиях мицеллярных систем [1].

Степень разработанности темы исследований. Автор опирался в

большей степени на зарубежных и отечественных ученных в области

исследований реологических и микрореологических свойств водных

растворов поверхностно-активных веществ, таких как: Kumar R., Kalur G.C.,

Ziserman L., Danino D., Raghavan S.R. Harrison D., Szule R., Fisch M.R.,

Молчанов В.С., Исаева А.А., Шибаев А.А. и др. К моменту начала работы над

диссертацией в зарубежных и российских монографиях и изданиях

отсутствовала информации об исследованиях, направленных на определение

характеристических размеров мицеллярной сетки, образующейся в водных

растворах ЭАСБ, установление закономерностей изменения структурных и

реологических характеристик мицеллярных растворов ЭАСБ в присутствии

со-ПАВ и полимеров.

Цель работы. Исследование мицеллярной системы на основе

эруциламидопропилсульфобетаина (ЭАСБ) и установление закономерностей

изменения структурных и реологических характеристик мицеллярных

растворов от концентрации солей, ПАВ при различных температурах, а также

модификация реологических свойств водных растворов ЭАСБ путем

добавления со-ПАВ и гидрофильных полимеров для создания

6

термостабильных мицеллярных систем с регулируемыми вязкоупругими

свойствами.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) исследовать процессы самоорганизации, структурные и

реологические свойства индивидуальных растворов

эруциламидопропилсульфобетаина (ЭАСБ);

2) изучить влияние неорганических солей, со-ПАВ и полимеров на

поверхностно-активные, реологические и структурные свойства мицеллярных

растворов ЭАСБ;

3) изучить влияние температуры на реологические и структурные

свойства мицеллярных индивидуальных и смешанных растворов ЭАСБ.

Научная новизна работы выражается в следующем:

 впервые показано, что для мицеллярных растворов ЭАСБ

характерно постоянное значение среднеквадратичного смещения <∆r2(t)>

частиц-маркеров во всем исследуемом временном диапазоне, обусловленное

«неразрывностью» цилиндрических мицелл.

 впервые уставлена корреляция между концентрационной

зависимостью вязкости и характеристическими длинами мицеллярной сетки,

образованной ЭАСБ, а также смесью ЭАСБ с катионным ПАВ.

 впервые установлено, что вязкость растворов цвиттерионного

ПАВ ЭАСБ зависит от типа ионов неорганических солей: в случае

мультивалентных ионов Ca2+ вязкость выше, чем в случае одновалентных

ионов Na+, в том числе и при высоких температурах за счет

электростатического взаимодействия между ионом кальция и сульфатной

группой ЭАСБ, приводящего к более плотной упаковке молекул ПАВ в

мицеллах, что позволяет регулировать реологические свойства растворов.

 впервые для вязкоупругих растворов цвиттерионного ПАВ ЭАСБ

установлено, что цепи неионного полимера полиэтиленимина (ПЭИ) и

катионного полимера полиаллиламин гидрохлорида (ПААГ) могут

встраиваться в сетку топологических зацеплений цилиндрических мицелл

7

ЭАСБ, вследствие чего происходит увеличение вязкости, упругости системы,

а также контурной длины мицелл.

Теоретическая значимость. Заключается в научном обосновании

сохранения вязкоупругих свойств цвиттерионного ПАВ ЭАСБ при

повышенных температурах в случае наличия хлорида кальция и объяснение

характера изменения вязкости водных растворов ЭАСБ от типа и заряда иона

неорганической соли. Выявлены области концентраций ЭАСБ, водные

растворы которых проявляют упругие свойства в результате образования

разветвленных «неразрывных» цилиндрических мицелл.

Практическая значимость. Полученные закономерности влияния

неорганических солей на реологические свойства ЭАСБ при различных

температурах легли в основу разработки технологического состава для

кислотной обработки призабойной зоны пласта высокотемпературных

скважин, эффективность которого была подтверждена независимыми

лабораторными исследованиями в инновационно-техническом центре

арктических нефтегазовых лабораторных исследований в федеральном

государственном автономном образовательном учреждении высшего

образования «Северный (Арктический) Федеральный Университет имени

М.В. Ломоносова» с рекомендацией на дальнейшее проведение опытно-

промышленных испытаний.

Методология и методы исследования. В работе были использованы:

метод Дю-Нуи – метод «отрыва кольца, метод ротационной вискозиметрии,

метод динамического рассеяния света, метод оптической пассивной

микрореологии

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружено, что упругие свойства водных растворов ЭАСБ

обусловлены формированием в растворе разветвленных, «неразрывных»

цилиндрических мицелл;

2. Показано, что увеличение вязкости растворов с ростом концентрации

ЭАСБ при повышенных температурах объясняется удлинением

8

цилиндрических мицелл до 12 мкм, увеличением плотности зацеплений

в системе;

3. Характер изменения вязкости водных растворов ЭАСБ зависит от типа

и заряда иона неорганической соли и определяется плотностью упаковки

молекул ПАВ. Контролируя концентрацию хлорида кальция, можно

регулировать переход водных растворов ЭАСБ от упругого в

вязкоупругое состояние;

4. Для растворов ЭАСБ обнаружено, что добавление небольшого

количества катионного гидрофильного полимера приводит к

увеличению их вязкости;

5. В смешанных растворах ЭАСБ и катионного ПАВ наблюдается эффект

синергизма, выраженный в уменьшении ККМ и увеличении вязкости

системы.

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных

результатов обеспечена использованием современных средств и методов

проведения исследования, подтверждена анализом научно-технической

литературы.

Апробация работы. Основные результаты диссертации были

представлены на 4‐й всероссийской интернет‐конференции «Грани науки

2015» (Казань, 2015), на IV конференции молодых ученых «Реология и

физико-химическая механика гетерофазных систем» (Москва, 2015), на 10-й

республиканской конференции «Молодежь и инновации Татарстана» (Казань,

2017), на международной конференции для молодых ученых

«Супрамолекулярные стратегии в химии, биологии и медицине:

фундаментальные проблемы и перспективы» (Казань, 2019). Результаты

работы также обсуждались на итоговых научных сессиях в Казанском

национальном исследовательском технологическом университете в 2014-

2019 гг.

Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в

диссертационной работе, получены автором лично или при его

9

непосредственном участии. Автор выражает благодарность доценту кафедры

Химической технологии переработки нефти и газа ФГБОУ ВО «КНИТУ»

Куряшову Д.А. за помощь в постановке задач и обсуждении результатов,

советы и рекомендации в ходе работы.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 работ, в

том числе 5 статей (рекомендованных ВАК Минобрнауки России) и 5 тезисов

докладов.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 120 страницах,

состоит из введения и трёх глав, выводов, списка цитируемой литературы,

включающего 145 наименований. Работа иллюстрирована 68 рисунками и

содержит 7 таблиц.