基于Turbiscan的一种咪唑啉型缓蚀剂乳化性研究

张世红，张米，施岱燕，杜磊，张金钟，崔磊

（1．西南石油大学化学化工学院，四川成都610500；

2．中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川成都610213；

3．油气消防四川省重点实验室，四川成都611731）

摘要：利用Turbiscan对一种咪唑啉型缓蚀剂的乳化性进行研究，讨论了温度、缓蚀剂体积分数对其乳化的影响。结果表明：温度增加，乳化液一油界面移动速率增加较快，水一乳化液界面移动速率增加较慢；缓蚀剂体积分数增加，乳化层厚度增加。缓蚀剂体积分数为0. 20%时，温度从20℃升高到50℃，乳化层厚度从9．O mm减少到2.4 mm，稳定指数（TSI）从25. 75增加到29. 69，乳化液一油界面移动速率从163.004 um/min增加到178. 789 um/min，水一乳化液界面移动速率从163. 652 um/min增加到168. 163 um/min。温度为40℃时，缓蚀剂体积分数从0.20%降低到0.05%，乳化层厚度从4.8 mm降低到0.3 mm。

关键词：咪唑啉；缓蚀剂；乳化；TurbIscan

    咪唑啉及其衍生物缓蚀剂被广泛用于抗C02腐蚀，国内外对其缓蚀性能进行了大量研究。咪唑啉缓蚀剂含表面活性成分，对乳化液起一定稳定作用，造成下游油、气分离困难，从而增加了整个开采成本。目前乳化液研究方法主要有静置法、化学法等。其中静置法测试时间长，准确性较差；化学法需加入一种破乳剂且准确性较差。以上2种方法在宏观上能表明液体乳化程度，却不能较为清晰地描述整个乳液破乳过程。近年来，近红外稳定分析法具有较好的准确性和重复性且无需前处理，能快速清晰分析液体分散体系沉淀、乳化、凝结、分相现象等优点，被广泛用于石油化工、医学制药等领域。Huck -Iriart C等利用Turbiscan（分散稳定性分析仪）研究了酪蛋白酸钠对向日葵油乳液稳定性影响；Gan L J等利用多重光散射仪研究了脂肪酸钠的催化乳化性能；李朋伟等利用分散稳定性分析仪研究了水煤浆的稳定性。

    Turbiscan通过多光反射技术直接测量并计算沉淀相／乳化相厚度、界面移动速率、颗粒平均粒径等试验数据，可较准确分析乳液、悬浮液等液体变化过程。笔者以Turbiscan AGS为基础，研究一种亲水基团咪唑啉型缓蚀剂乳化性，主要讨论温度，缓蚀剂体积分数对其乳化性影响。

1  实验部分

1.1  实验设备及试剂

Turbiscan AGS，法国Formulaction公司生产；FR423 CN型电子天平，奥豪斯仪器（上海）有限公司生产；移液枪，德国Eppendorf公司生产；78—1型磁力加热搅拌器，上海双捷实验设备有限公司生产；HWS28型电热恒温水浴锅，上海一恒科学仪器有限公司生产。10#市售柴油；咪唑啉型缓蚀剂；模拟气田水，其组成如表1所示。

1.2实验方法

  称取分析纯化学试剂，制备模拟气田水，并加入缓蚀剂，将其配制成含不同体积分数缓蚀剂溶液。将含有缓蚀剂的模拟气田水和柴油放入水浴锅加热2h，并各取10 mL液体，先后将水和油缓慢加入到测试瓶中。上下均匀振荡200次，迅速将其放入Turbiscan中测试。Turbiscan设置参数：每3 min扫描1次，共扫描2h。

2结果与讨论

2.1温度的影响

  妒（缓蚀剂）=0.20 %的模拟气田水不同温度下的测试结果如图1所示。上图为透射光谱图，主要用于分析透明层；下图为散射光谱图，主要用于分析浊液层。透射光和散射光以%表示，其含义是相对标准样品的光通量百分比。由图1(b)可知，缓蚀剂加入油水混合物中会发生乳化，随样品高度增加共分为5段：0～2 mm左右为瓶底层；2—22 mm左右为水溶液层；22~ 31  mm左右为乳化层；3~43 mm左右为油层；43~55 mm左右为空瓶层。随着时间推移，曲线由疏变密，说明透射光和散射光值变化减慢，整体变化由快变慢；溶液层透射光通量增加，且底部值高于顶部值，说明乳状小液滴上浮，溶液由浑浊逐渐变透明，底部水溶液更透明；乳化层投射光通量为0，散射光通量随时间推移逐渐降低，说明该层有乳状小液滴聚集；油层透射光通量增加，说明油由浑浊逐渐变透明，乳状小液滴下沉。研究表明，浑浊区散射光强不随时间变化，只是整体沉降结果，这种沉降方式称为“受阻沉降”；浑浊区散射光强随时间变化，是乳状小液滴聚集和整体沉降共同结果，这种沉降方式称为“差异沉降”。由图1(b)可知，散射光强随时间变化，为“差异沉降”，说明既有沉降又有乳状小液滴聚集。图1(a)、图1(c)、图1(d)的分析同上。

  通过Turbiscan Easysoft软件计算乳状液厚度、稳定性指数（TSI），其结果分别如图2、图3所示。由图2可知，随时间推移，乳化层厚度变化减慢，前60 min变化较快，后60 min变化较慢；温度升高，乳化层厚度从9.0 mm减少到2.4 mm。由图3可知，随着时间推移，TSI变化由快变慢，说明整体变化减慢；温度增加，TSI从25. 75增加到29. 69。稳定性指数越小，表示透射光、散射光光强随时间变化较小，体系越稳定。由此可见，温度升高，体系稳定性变差，乳化减弱。

计算水一乳化液界面、乳化液一油界面移动速率，结果如表2所示。由表2可知，温度升高，乳化液一油界面移动速率增加较快，水一乳化液界面移动速率增加较为缓慢，此时油相析出速率加快，水相析出速率变化较小。由此可得，温度对水相析出速率影响较小，对油相析出速率较大。研究表明，乳状液沉降处于斯托克斯定律区，其沉降速度为：

其中，u为沉降速率，g为重力加速度，d。为液滴直径，P1为外相密度，P2为内相密度，u为黏度。温度升高，分子运动速度加快，界面膜强度降低，乳状小液滴易聚集。乳状小液滴半径增加，其上浮、沉降速率增加；水相黏度随温度变化影响较小，其析出速率变化较小；油相黏度随温度变化影响较大，乳状小液滴沉降速率加快，其析出速率加快。在以上因素影响下，体系随温度升高稳定性变差，乳化减弱。

2.2缓蚀剂体积分数的影响

  40%时，不同体积分数缓蚀剂溶液乳化测试结果如图4所示，其分析方法同2.1。由图4可知，随时间推移，曲线由疏变密，说明整体变化由快变慢；缓蚀剂体积分数增加，乳化层厚度增加。通过Turbiscan Easysoft软件计算乳状液厚度，结果如图5所示。由图5可知，体积分数增加，乳化层厚度从0 mm增加到4.8 mm；随着时间推移，整体变化减慢，前20 min变化较快，后100 min变化较慢。

  加入咪唑啉型缓蚀剂会形成乳化层，其原因是咪唑啉型缓蚀剂含表面活性成分，会降低增大界面面积所需要的功，在界面上形成起稳定作用的阻碍膜。随着体积分数降低，乳化层厚度减少，乳化减弱。分析其原因主要为当表面活性成分浓度较低时，不足以形成一个连续膜，乳状小液滴易聚集。Ivanov等根据乳状液热力学和水力学原理推导出界面膜寿命公式：

其中，r为界面膜寿命，叼为界面膜黏度，Rd为分散相液滴半径，Ap为油水两相密度差，hi。为分散相液滴初始作用膜厚，h，为开始变形膜厚。

  从式(2)可以看出，界面膜越厚，膜寿命越长。因此缓蚀剂降低一定体积分数，其活性成分减少，膜寿命减少，乳状小液滴易聚集，其稳定性减弱，乳化减弱。

3结语

  (1)温度增加，乳化液一油界面移动速率增加较快，水一乳化液界面移动速率增加较慢。当缓蚀剂体积分数为0. 20%，温度从20℃升高到500C时，乳化层厚度从9.0 mm减少到2.4 mm，TS/从25. 75增加到29. 69，乳化液一油界面移动速率从163.004 um/min增加到178.789um/min，水一乳化液界面移动速率从163. 652 um/min增加到168. 163 um/min。

  (2)40℃时，缓蚀剂体积分数从0.20%降低到0.05%，乳化层厚度从4.8 mm降低到0.30 mm。