基于吡啶鎓的双阳离子表面活性剂在严苛条件下的结构洞察：间隔基团对热稳定性和表面性质的影响 —— 助力可持续工程应用

为解决复杂油湿储层提高采油率的问题，研究人员开展了合成四种含不同间隔基团的吡啶鎓基双阳离子表面活性剂的研究。结果显示，这些表面活性剂溶解性好、热稳定性高，间隔基团影响其表面性质。该研究对可持续工程应用意义重大。

　　在过去的几十年间，全球人口不断增长，工业化进程也在持续推进，这使得对石油和天然气的需求急剧攀升。然而，大多数油田储量逐渐步入成熟期，全球约 60% 的油藏呈现出复杂的特征，尤其是碳酸盐岩地层中的油藏，具有油湿特性，且储层条件极为严苛，不仅温度常常超过 100°C，盐度高达 240,000 ppm，还含有高浓度的二价离子，如 Mg²⁺和 Ca²⁺ 。在这样的情况下，传统的注水采油方式效果不佳，无法有效提高采油率。为了突破这些困境，化学驱油（cEOR）技术应运而生，其中表面活性剂发挥着关键作用。

在此背景下，来自沙特阿拉伯国王法赫德石油与矿产大学（King Fahd University of Petroleum and Minerals）的研究人员，针对这一难题展开了深入研究。他们合成了四种基于吡啶鎓的双阳离子表面活性剂，这些表面活性剂含有不同的亲水和疏水间隔基团。研究发现，这四种表面活性剂在不同的水环境，包括海水（SW）、去离子水（DW）和地层水（FW）中，都展现出了出色的溶解性，即使在 90°C 的高温下放置三周，也未出现相分离或浑浊现象。同时，通过热重分析（TGA）表明，它们具有较高的热稳定性，分解温度接近 300°C 。在表面性质方面，含有亲水间隔基团的表面活性剂比含有疏水间隔基团的表面活性剂能达到更低的表面张力，且胶束形成效率更高。其中，带有羟基间隔基团的双阳离子表面活性剂临界胶束浓度（CMC）最低，而 GS-NH 则获得了最低的表面张力值 31.790 mN/m。这一研究成果发表在《Heliyon》杂志上，对于指导双阳离子表面活性剂的结构设计，推动其在可持续工程领域，尤其是 CO₂储存和提高采油率方面的应用，具有重要意义。

研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是结构确认技术，借助核磁共振（¹H/¹³C NMR）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）光谱技术，来阐明新合成的双阳离子表面活性剂的化学结构；其次是热重分析（TGA），利用 TA 仪器公司的 SDT Q600 机器，在 25°C 至 1000°C 的温度范围内，通入氮气，以此测量材料的热稳定性；最后是表面张力分析，采用铂制 Wilhelmy 板和力张力计，在 25 ± 1°C 的条件下测量表面性质。

下面来详细介绍研究结果：

1. 结构解析：运用¹H ¹³C NMR 和 FT-IR 等光谱技术对新制备的表面活性剂进行结构表征。以 GS-4 为例，¹H NMR 光谱显示，在 0.87 ppm 处有一个三重峰，表明表面活性剂尾部存在甲基（CH₃）基团；1.28 - 1.15 ppm 处的多重峰代表长链尾部的亚甲基（CH₂）基团；3.63 - 3.54 ppm 处的强多重峰可归因于乙氧基单元 ((CH₂)₂-O-(CH₂)₂) 。¹³C NMR 光谱和 FT-IR 光谱也分别从不同角度证实了其结构特征。
2. 表面活性剂溶解性：研究发现，表面活性剂的溶解性与疏水尾链长度相关，尾链越长，溶解性越差。但在合成的表面活性剂（GS-4、GS-Et、GS-OH 和 GS-NH）亲水尾链中引入特殊的乙氧基单元（EO），可显著提高其溶解性。实验表明，这四种表面活性剂在室温及 90°C 下，于 DI、SW 和 FW 中均表现出优异的溶解性，未出现相分离、沉淀或浑浊现象。
3. 热稳定性：通过 TGA 研究 GS-4、GS-Et、GS-OH 和 GS-NH 表面活性剂的耐热性。TGA 曲线显示，四种表面活性剂初始失重分别为 10%、12%、15% 和 6% ，主要是由于表面活性剂中水分和溶剂的蒸发。在 282°C（GS-4）、280°C（GS-Et）、270°C（GS-OH）和 295°C（GS-NH）时出现显著失重。结果表明，这些表面活性剂的分解温度高于实际油藏温度，且间隔基团类型对其热稳定性影响较小，其中 GS-NH 由于含有仲胺间隔基团，相对热稳定性较高。
4. 表面张力测量：新制备的吡啶鎓基双阳离子表面活性剂在所有测试浓度下均表现出良好的水溶性，形成清晰稳定的溶液。通过测量，得到 GS-4、GS-Et、GS-OH 和 GS-NH 的 CMC 值分别为 0.019 mmol/L、0.016 mmol/L、0.013 mmol/L 和 0.017 mmol/L 。含有疏水间隔基团的表面活性剂比含有亲水间隔基团的表面活性剂具有更高的 γ_cmc 。从疏水性（非极性间隔基团）到亲水性（极性间隔基团），表面活性剂的 π_cmc和 Γ_max增加，而 A_min减小。GS-NH 的 γ_cmc最低，表明仲胺间隔基团增强了其在界面的吸附倾向，能更有效地降低表面张力并形成胶束。

综合研究结论和讨论部分，此项研究成功合成了用于提高采油率的吡啶衍生双阳离子表面活性剂，并通过多种光谱技术确认了其结构。研究结果表明，间隔基团类型显著影响表面活性剂的聚集模式、热稳定性和表面性质。这些表面活性剂在各种水环境中展现出良好的溶解性和耐盐性，GS-NH 具有相对较高的热稳定性和较低的 γ_cmc 。该研究为双阳离子表面活性剂在可持续工程领域的应用提供了有价值的见解，有助于指导相关材料的结构设计，推动 CO₂储存和提高采油率等技术的发展，具有重要的理论和实际应用意义。