CC BY
22
2022 Химическая технология и биотехнология № 1
Б01: 10.15593/2224-9400/2022.1.08 УДК 544.777: 678.744.329
А.И. Нечаев, Н.С. Воронина, В.А. Вальцифер
Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук - филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН, Пермь, Россия
ВЛИЯНИЕ НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И КИСЛОТНОСТИ СРЕДЫ НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ АКРИЛАТНЫХ ПОЛИМЕРОВ
Одним из нетривиальных явлений, связанных с полимерами, является эффект Томса - снижение гидравлического сопротивления турбулентных потоков жидкостей при введении малых количеств высокомолекулярных соединений (10-100 ррт). Добавка полимеров приводит либо к увеличению скорости потока жидкости при постоянном давлении/энергопотреблении, либо к снижению давления/энергопотребления перекачки при постоянной скорости течения жидкости. Данное обстоятельство приобретает значимость в тех областях, где возникает необходимость в транспортировке больших объемов жидкости, например, в нефтедобывающей промышленности при перекачке воды, нефти, эмульсий, нефтепродуктов. Поскольку эффект Томса зависит от размера макромолекулярных клубков, то для ионогенных полимеров на величину эффекта значительное влияние оказывают рН и ионная сила.
Основной задачей данного исследования является установление влияния ионной силы раствора и кислотности среды на размеры макромолекулярных клубков и реологические свойства акрилатных сополимеров АА-АН-АМПСЫа и, как следствие, на эффект снижения гидродинамического сопротивления турбулентных водных потоков данными сополимерами.
Установлено, что увеличение содержания звеньев АМПСЫа в сополимерах АА-АН-АМПСЫа приводит как к увеличению размеров полимерных клубков, так и к снижению влияния ионной силы раствора на средний размер макромолекулярных клубков. Определено, что введение АМПСЫа, содержащей сильную кислотную группу -803~, способствует увеличению устойчивости макромолекул к повышенной кислотности среды вплоть до рН 1,65. Методом капиллярной турбулентной вискозиметрии установлено отсутствие влияния низкомолекулярных электролитов (до ионной силы раствора 1,9 моль-л'1) и повышенной кислотности среды (до рН 1,65) на эффект снижения гидродинамического сопротивления акрилатным сополимером АА-АН-АМПСЫа с мольным соотношением [65]:[15]:[20].
Ключевые слова: полимеризация в обратных эмульсиях, полиакриламид, эффект Томса, макромолекулярный клубок, относительная вязкость.
A.I. Nechaev, N.S. Voronina, V.A. Valtsifer
Institute of Technical Chemistry Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - branch of Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russian Federation
EFFECT OF ELECTROLYTES AND MEDIUM ACIDITY ON RHEOLOGICAL PROPERTIES OF ACRYLATE POLYMERS SOLUTIONS
Toms effect is one of the non-trivial phenomena associated with polymers. The hydraulic resistance of turbulent fluid flows decreases with the introduction of small amounts of macromolecular compounds (10-100 ppm). The addition of polymers results in either an increase in fluid flow at constant pressure/power consumption or a decrease in pumping pressure/power consumption at constant fluid flow. This circumstance becomes important in those areas where there is a need to transport large volumes of liquid, for example, in the oil industry when pumping water, oil, emulsions, oil products. Since the Toms effect depends on the size of macromolecular coils, for ionic polymers, the magnitude of the effect is significantly affected by pH and ionic strength.
The main objective of this study is to establish the influence of the ionic strength of the solution and the acidity of the medium on the size of macromolecular coils and the rhe-ological properties of AA-AN-AMPSNa copolymers and, as a consequence, on the effect of reducing the hydrodynamic resistance of turbulent water flows by these copolymers.
It has been established that an increase of AMPSNa units in the AA-AN-AMPSNa co-polymers leads both to an increase in the size of copolymer coils and to a decrease in the influence of the ionic strength of the solution on the average size of macromolecular coils. It has been determined that the including of AMPSNa containing a strong acid group -SO3~ contributes to an increase in the resistance of macromolecules to an increased acidity of the medium up to pH 1,65. The method of capillary turbulent viscometry established the absence of influence of low molecular weight electrolytes (up to the ionic strength of the solution 1,9 mol l-1) and increased acidity of the medium (up to pH 1,65) on the effect of reducing the hydro-dynamic resistance of the AA-AN-AMPSNa copolymer with the molar ratio [65]:[15]:[20].
Keywords: Inverse emulsion polymerization, polyacrylamide, Toms effect, macromolecular coil, relative viscosity.
Снижать гидродинамическое сопротивление турбулентных водных потоков (эффект Томса) способны полимеры, обладающие двумя необходимыми свойствами: достаточно высоким значением молекулярной массы и хорошей растворимостью. В настоящее время для снижения гидродинамического сопротивления турбулентных потоков жидкости в водных средах наиболее часто используется полиакриламид (ПАА) [1]. В разбавленных растворах полимеры находятся в виде макромолекулярных клубков. Эффект снижения гидродинамического сопротивления становится максимальным при концентрации полимеров, когда одиночные макромо-
лекулярные полимерные клубки с иммобилизованным растворителем обеспечивают плотную упаковку во всем объеме раствора без физического взаимодействия друг с другом, т.е. без деформации клубков [2].
Поскольку эффект Томса зависит от размера макромолекулярных клубков, то для ионогенных полимеров на величину эффекта значительное влияние оказывают рН и ионная сила. Известно, что в кислой среде полимерные клубки полиакриловой кислоты характеризуются небольшими размерами, вследствие подавления диссоциации карбоксильных групп, что в свою очередь сказывается на снижении величины эффекта Томса. При снижении кислотности среды до нейтральных значений наблюдается ионизация карбоксильных групп. Предполагается, что на полимерной цепи образуются жестко локализованные отрицательные заряды. При этом силы электростатического отталкивания одноименных отрицательных зарядов разворачивают макромолекулярный клубок. И как следствие, увеличение размеров клубков приводит к росту величины эффекта Томса. Полимерные клубки в равновесном состоянии становятся асимметричными, а макромолекулярная цепь характеризуется повышенной жесткостью. При последующем понижении кислотности среды избыток электролита, по мнению авторов [3], вызывает экранирование одноименных зарядов карбоксильных групп, и соответственно происходит частичное сжатие макромолекулярных клубков и уменьшение эффекта Томса. В работе [4] представлены исследования изменения кислотности от слабокислой до нейтральной среды водных растворов полимеров полиакриловой кислоты (ПАК) и полиметакриловой кислоты (ПМАК). При этом измерялись среднеквадратичные размеры полимерных клубков
ПАК и ПМАК. Установлено, что в зависимости от кислотности среды полиэлектролиты различной химической природы и разной молекулярной массы могут характеризоваться одинаковой эффективностью снижения гидродинамического сопротивления.
Также известно [5], что полиэлектролиты характеризуются большим сольватным объемом, чем неионогенные полимеры, вследствие наличия электростатического отталкивания между заряженными сегментами в полимерной цепи. Увеличение гидродинамического объема способствует росту величины снижения гидродинамического сопротивления турбулентного потока жидкости данными полимерами [6].
Существующие исследования [7] структуры и эффективности снижения гидродинамического сопротивления растворами ПАА с различной степенью гидролиза в широком интервале кислотности среды показали,
что в диапазоне рН от 2 до 10 характеристическая вязкость ПАА не изменяется. При рН > 10 ПАА полностью гидролизуется. Сопоставление данных о влиянии рН среды на среднеквадратичные размеры макромолеку-лярных клубков с их способностью снижать гидродинамическое сопротивление выявило прямую зависимость между размером клубков и их гидродинамической эффективностью [8].
При увеличении ионной силы среды эффект Томса для ионоген-ных полимеров снижается, поскольку в присутствии водорастворимых низкомолекулярных солей изменяется конформационное состояние макромолекул в поверхностном слое, а также происходит экранирование зарядов на полимерной цепи [9], т.е. изменение ионной силы раствора оказывает влияние на размеры клубков ионогенных полимеров. Хорошо известно, что двухвалентные катионы (Ca2+, Mg2+, Sr2+ и др.) взаимодействуют с частично гидролизованным ПАА или ПАК, что приводит к быстрому разделению фаз за счет образования геля или осадка [10, 11]. Поливалентные катионы легко хелатируются цепями частично гидролизованного ПАА или ПАК с образованием стабильных сшивающих комплексов, таких как CaO4 [12].
Исследования влияния ионной силы и кислотности среды на величину снижения гидродинамического сопротивления особенно важны для нефтедобывающей отрасли. Как показывает практика, все чаще при бурении встречается высокоминерализованная пластовая вода, имеющая в своем составе различные соли с общей минерализацией до 300 г/л, при этом кислотность среды может варьироваться в широких пределах [13]. Однако количество работ, посвященных исследованию влияния рН и низкомолекулярных электролитов на снижение гидродинамического сопротивления ионогенными высокомолекулярными сополимерами, ограничено.
Таким образом, целью данной работы является установление влияния ионной силы раствора и кислотности среды на размеры макромоле-кулярных клубков и реологические свойства акрилатных сополимеров и, как следствие, на эффект снижения гидродинамического сопротивления данными сополимерами.
Экспериментальная часть. В качестве мономеров использовали акриламид (АА) (+98 %, Alfa Aesar), 2-акриламидо-2-метилпропан-сульфоновую кислоту (АМПСК) (98 %, Alfa Aesar) и нитрил акриловой кислоты (АН) (99+ %, Alfa Aesar), предварительно очищенный от ингибитора перегонкой. Натрия гидроксид (ч.д.а., АО «ЭКОС-1»), изооктан
(эталонный, АО «ВЕКТОН») поверхностно-активные вещества - сорби-тан моноолеат (Span 80) (Alfa Aesar), полиэтиленгликоль сорбитан моно-олеат (Tween 80) (Alfa Aesar), азобисизобутиронитрил (АИБН) (+98.5 %, Mody Chemi) использовали без дополнительной очистки. Для получения обратных эмульсий во всех экспериментах была использована бидистил-лированная вода с удельной проводимостью 1.6 мкСм/см.
Для получения дисперсной фазы использовали водно-мономерный раствор акриламида, нитрила акриловой кислоты и 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты. АМПСК нейтрализовали 4 М раствором NaOH с получением AMnCNa. Массовое соотношение мономеров составляет [АА]:[АН]:[АМПСК] = [55-80]:[15]:[5-30] мол.%. Суммарное количество мономеров в системе 3.2 моль/л. В качестве эмульгирующей системы выбрана смесь неионогенных поверхностно-активных веществ сорбитан моноолеат (Span 80) и полиэтиленгликоль сорбитан моноолеат Tween 80. Соотношение ПАВ Tween 80/Span 80 = 16/84 мас.%, обеспечивающее ГЛБ смеси 6 ед. Суммарное количество ПАВ 5 мас.%. Данные условия эксперимента, как наиболее оптимальные, определены в предыдущих исследованиях [14].
Эмульгирование осуществляли с помощью высокоскоростного гомогенизатора WiseTis HG-15A-Set-A (DAIHAN Scientific) при добавлении водно-мономерной фазы в неполярную среду (изооктан) при скорости 15-20 тыс.об./мин в течение 5 мин. Объемное соотношение фаз во-да/изооктан составляло 55/45. Полученную обратную эмульсию помещали в реактор Parr 4560 и продували азотом в течение 30 мин, после чего добавляли инициатор АИБН в виде его раствора в изооктане в количестве 0,01 мас.% от мономеров. Температура реакции 60 °С, скорость перемешивания 300 об/мин.
Получаемый сополимер осаждали из обратной эмульсии в десятикратном избытке ацетона. Для удаления воды, ПАВ, остаточных мономеров и инициатора промывку осуществляли 4 раза, чередуя ацетон с этанолом. Осажденный и промытый сополимер сушили под вакуумом при 60 °С до постоянной массы.
Методом динамического светорассеяния на приборе ZetaPALS (Brookhaven Inst.) определяли средний размер макромолекулярных клубков и их распределение по размеру (индекс полидисперсности PDI).
Относительную вязкость полимера определяли методом капиллярной вискозиметрии при Т = 30 °С, используя стеклянный вискозиметр ВПЖ-1 (d = 0,54 мм). Характеристическую вязкость полимера [п] опре-
деляли методом капиллярной вискозиметрии в 0,5 М растворе NaCl при Т = 30 °С. На основании измерений строили линейные концентрационные зависимости %д/Сп = _ДСп), где Сп - концентрация сополимера. При экстраполяции полученных прямых к нулевой концентрации находили характеристическую вязкость полимера: [n] = lim (пуд/Сп), при Сп ^ 0.
Исследование влияния гидродинамических параметров на эффект снижения гидродинамического сопротивления сополимерами проводили на капиллярном турбулентном реометре по методике, описанной авторами ранее [15]. Измерения проводились при концентрации растворов сополимеров от 0,01 до 0,3 мас.% и числе Рейнольдса потока раствора исследуемого сополимера через капилляр порядка 30 000. Все измерения и расчеты параметров проводились при стационарном режиме течения жидкостей.
Результаты и их обсуждение. Исследование влияния как низкомолекулярных электролитов, так и кислотности среды на вязкость растворов сополимеров проводили методом капиллярной вискозиметрии по изменению относительной вязкости 1 % растворов сополимеров c добавлением CaCl2 и NaCl при температуре 25 °С. Максимальная ионная сила раствора 0,81 моль-л-1 соответствует концентрации CaCl2 30 г л-1, а концентрации NaCl 47 г л-1.
На рис. 1 представлены зависимости относительной вязкости потн растворов терполимеров [80]:[15]:[5], [70]:[15]:[15] и [55]:[15]:[30] от ионной силы раствора.
Рис. 1. Зависимость относительной вязкости растворов терполимеров [55]:[15]:[30] в растворе №01 (1) и СаСЬ (2), [70]:[15]:[15] в растворе №С1 (3) и СаСЬ (4) и [80]:[15]:[5] в растворе №С1 (5) и СаС12 (6) от ионной силы растворов
Снижение относительной вязкости исследуемых ионогенных сополимеров связано с влиянием ионной силы раствора на гидродинамический размер макромолекулярных клубков полимеров в растворе. Зависимости среднего гидродинамического диаметра клубков терполиме-ров от ионной силы раствора, задаваемой КаС1 или СаС12 до значений 1,9 моль-л"1, представлены на рис. 2. Размер полимерных клубков определяли методом динамического светорассеяния в сильноразбавленных растворах. Для корректного сравнения результатов исследования размеров проводились с терполимерами, обладающими близкими значениями
3 —1
характеристической вязкости порядка 350 см г .
Как видно из приведенных на рис. 2 зависимостей, увеличение содержания звеньев АМПСКа в составе терполимера, при постоянном содержании звеньев АН 15 мол.%, приводит к увеличению размеров полимерных клубков. Так, для сополимера, содержащего 5 мол.% АМПСКа, средний гидродинамический размер полимерных клубков в дистиллированной воде составляет 175 нм, тогда как для образца, содержащего 20 мол.% АМПСКа, средний диаметр клубков равен 296 нм, т.е. увеличивается практически в 2 раза. Характер снижения среднего гидродинамического диаметра сополимеров одинаков, вне зависимости от их состава, и аналогичен снижению относительной вязкости. Образцы сополимеров, содержащие большее количество звеньев АМПСКа в своем составе, при увеличении ионной силы раствора снижают размер в меньшей степени, чем образцы, содержащие меньшее количество АМПСКа.
Рис. 2. Зависимость среднего гидродинамического диаметра клубков терполимеров [65]:[15]:[20] в растворе КаС1 (1) и СаСЬ (2), [75]:[15]:[10] в растворе КаС1 (3) и СаСЬ (4) и [80]:[15]:[5] в растворе КаС1 (5) и СаС12 (6) от ионной силы растворов
Зависимость среднего гидродинамического диаметра клубков терполимеров от ионной силы раствора, обусловленной введением СаС12 имеет полностью идентичный характер зависимости, как и при введении КаС1. Указанный характер зависимостей среднего размера макромолекулярных клубков и, как следствие, относительной вязкости растворов сополимеров свидетельствуют об отсутствии реакций взаимодействия катионов Са2+ с образованием нерастворимых солей сополимеров АА-АН-АМПСКа.
При малых ионных силах раствора, от 0 до 2 ммольл-1, молекулярные клубки тройных сополимеров АА-АН-АМПСКа максимально развернуты вследствие электростатических сил отталкивания между слабо экранированными сульфонатными группами сополимера, поэтому растворы сополимеров имеют высокую вязкость. При увеличении ионной силы раствора возрастает степень связывания противоионов (Ка+, Са2+ и др.) полиионом и, как следствие, возрастает плотность экранирования полиионов низкомолекулярными противоионами и уменьшается электростатическое отталкивание боковых сульфонатных групп сополимеров, что приводит к уплотнению и сжатию макромолекулярных клубков. Все исследованные образцы сополимеров резко снижают свои размеры и, как следствие, относительную вязкость в достаточно узком диапазоне ионной силы до 0,2 моль л-1. При дальнейшем увеличении ионной силы раствора, вплоть до 1,9 мольл-1, размеры макромолеку-лярных клубков медленно и монотонно уменьшаются.
Исследование влияния кислотности среды на вязкость растворов исследуемых сополимеров проводили в буферных растворах с рН 6,86; 4,01; 3,56 и 1,65 при температуре 25 °С. Полученные зависимости представлены на рис. 3.
Присутствие в составе боковых групп сополимера сильной кислоты позволяет ему быть диссоциированным в широком диапазоне рН среды. Как видно из рис. 3, для всех исследованных сополимеров наблюдается постепенное снижение значения их относительной вязкости, достигающее при рН 1,65 в два раза меньше исходного, при нейтральном рН. Положение зависимостей друг относительно друга зависит от исходной относительной вязкости сополимеров при нейтральной кислотности среды.
Зависимость среднего гидродинамического размера макромоле-кулярных клубков сополимеров от кислотности среды определяли методом динамического светорассеяния. Полученные зависимости в диапазоне рН от 1,65 до 9,18 представлены на рис. 4.
Рис. 3. Зависимость относительной вязкости водных растворов терполимеров [55]:[15]:[30] (1), [65]:[15]:[20] (2), [70]:[15]:[15] (3) и [80]:[15]:[5] (4) от рН раствора
Рис. 4. Зависимость среднего гидродинамического диаметра клубков терполимеров [65]:[15]:[20] (1), [70]:[15]:[15] (2) и [80]:[15]:[5] (3) от рН раствора
Наблюдаемые зависимости размера полимерных клубков от кислотности среды хорошо согласуются с данными по изменению относительной и характеристической вязкости. Характер полученных зависимостей в полной мере соотносится с литературными данными для двойных сополимеров АА-АК, АА-АМПСК и АК-АМПСК. Однако принципиальным отличием являются сами значения среднего гидродинамического диаметра клубков сополимеров, превышающие литературные данные в несколько раз, и не столь драматичный характер уменьшения размера при повышении кислотности среды. Так, для об-
разца [65]:[15]:[20] средний гидродинамический диаметр клубков не падает ниже 80 нм при понижении рН до значений 1,65, хотя в таких же условиях макромолекулярные клубки образцов [70]: [15]: [15] и [80]:[15]:[5] сжимаются до значений порядка 30-40 нм, уже сопоставимых с таковыми для частично гидролизованного полиакриламида.
Стоит отметить, что увеличение количества звеньев АМПСКа в составе сополимера приводит к увеличению среднего гидродинамического радиуса во всем исследуемом диапазоне рН среды от 1,65 до 9,18. При этом даже при введении в состав 5 мол.% звеньев АМПСКа средний гидродинамический размер макромолекулярных клубков при нейтральном рН среды превышает таковой для высокомолекулярных АА и частично гидролизованного АА (80-120 нм) и достигает 175 нм. А для наиболее оптимального по составу терполимера [65]:[15]:[20] максимальный гидродинамический размер полимерных клубков достигает значений 296 нм при нейтральном рН среды.
Снижение как относительной вязкости, так и среднего гидродинамического диаметра полимерных макромолекул при повышении кислотности среды может быть связано в том числе и с введением в водную среду буферных солей для создания заданного рН и, как следствие, увеличения ионной силы раствора, которая, как было показано ранее, снижает относительную вязкость сополимеров. Все исследуемые сополимеры АА-АН-АМПСКа вне зависимости от состава характеризуются сходным поведением при повышении кислотности среды, однако увеличение количества звеньев АМПСКа в составе сополимеров снижает степень влияния кислотности на средний гидродинамический диаметр полимерных макромолекул.
Для изучения гидродинамической эффективности синтезированного сополимера был выбран образец [65]:[15]:[20] с характеристиче-
3 —1
ской вязкостью 295 см -г , при этом средневязкостная молекулярная масса составляет порядка 1,1-1,5 МДа.
Исследования влияния ионной силы раствора проводили при 25 °С, нейтральной кислотности с добавлением СаС12 в количестве 10, 30 и 70 г-л-1, что соответствует ионной силе раствора 0,27; 0,81 и 1,89 моль-л-1. Полученные данные представлены на рис. 5, а, рис. 6, а.
Как видно из представленных на рис. 5, а зависимостей, при увеличении ионной силы раствора до 1,89 моль-л-1, профиль концентрационных кривых и значения величины эффекта снижения гидродинамического сопротивления БЯ остаются практически неизменными, от-
клонения не превышают 5 %. Продемонстрированный эффект связан с введением в состав сополимера 20 мол.% АМПС№, содержащей суль-фонат-анион и являющийся сильной кислотой и, как было показано раньше, не образующей малорастворимые соли с Ca2+.
1 ДО-10 , М 'С , /
Л к -----------А 3
' >
♦
-----------в 5 п О/ ^СаС12» 70
0 1 2 3 4 5 6 7
а
б
Рис. 5. Концентрационные зависимости величины эффекта снижения гидродинамического сопротивления DR (%) терполимера: а - в растворах СаС12 (%); б - в буферных растворах
Как видно из рис. 6, а, зависимость эффекта приращения объемного расхода от ионной силы раствора при постоянном содержании сополимера имеет линейный характер. При этом значение приращения объемного расхода остается постоянным и только при превышении оптимальной концентрации сополимера в среде 0,19 мас.% наблюдается небольшое уменьшение эффекта, не превышающее 3-5 %.
Исследования влияния кислотности среды проводили в буферных растворах с рН 6,85; 4,01; 3,56 и 1,65. Полученные зависимости представлены рис. 5, б, рис. 6, б.
б
Рис. 6. Зависимость приращения объемного расхода ЛQ (м3-с-1) водного раствора терполимера: а - от концентрации СаС12 (%); б - от кислотности среды.
Концентрация терполимера (%): 0,01 (1), 0,05 (2), 0,1 (3), 0,2 (4) и 0,3 (5)
Из рис. 5, б видно, что при повышении кислотности среды с 6,86 до 1,65 происходит незначительное уменьшение величины эффекта снижения гидродинамического сопротивления БЯ сополимером на 10-15 % в области разбавленных растворов (0 < С < Сопт). Данное снижение, вероятно, связано с частичным подавлением диссоциации сульфонатных групп в сополимере при понижении рН и, как следст-
вие, уменьшении размеров полимерных клубков. Уменьшение размеров сольватированных макромолекул приводит к снижению величины БЯ и значения приращения объемного расхода ДQ. При этом в области значений Сопт снижение рН среды до 1,65 не сказалось на снижении ДQmax и БЯтах. Также сохраняется характер и профиль концентрационных кривых. Необходимо отметить, что Сопт с ростом кислотности среды сдвигается в область больших значений. Устойчивость сополимера к низким значениям рН связана с присутствием в составе боковых цепей сильных анионных сульфогрупп.
Зависимость эффекта приращения объемного расхода ДQ раствора сополимера от рН представлена также на рис. 6, б. Как можно отметить, при низких концентрациях сополимера, когда эффект приращения объемного расхода ДQ незначителен, снижение рН до 1,65 практически не сказывается на изменении ДQ. С увеличением содержания сополимера в среде до Сопт повышение кислотности приводит к снижению эффекта приращения объемного расхода ДQ, однако при достижении Сопт кислотность среды в диапазоне рН от 1,65 до 6,86 перестает оказывать влияние на гидродинамическую эффективность, проявляемую сополимером.
Таким образом показано, что увеличение содержания звеньев АМПСКа в терполимерах АА-АН-АМПСКа приводит как к увеличению размеров полимерных клубков, так и к снижению влияния ионной силы раствора на средний размер макромолекулярных клубков, что должно положительно сказаться на способности исследуемых терпо-лимеров снижать гидродинамическое сопротивление в условиях солевой агрессии среды.
Вне зависимости от типа низкомолекулярного электролита увеличение в составе сополимера количества сильного анионогенного мономера АМПСКа приводит к увеличению среднего гидродинамического диаметра клубков и, как следствие, повышению относительной вязкости раствора во всем исследуемом диапазоне ионной силы раствора.
Введение АМПСКа, содержащей сильную кислотную группу -БО3-, и отсутствие в составе терполимеров слабых кислотных групп способствуют увеличению устойчивости макромолекул к повышенной кислотности среды, что выражается в несущественном снижении относительной вязкости растворов терполимеров и уменьшении средних размеров полимерных клубков до значений не менее 80 нм для образца [65]:[15]:[20].
Список литературы
1. Pereira A.S., Andrade R.M., Soares E.J. Drag reduction induced by flexible and rigid molecules in a turbulent flow into a rotating cylindrical double gap device: Comparison between Poly (ethylene oxide), Polyacrylamide, and Xanthan Gum // Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics. - 2013. - Vol. 202. - P. 72-87. DOI: 10.1016/j.jnnfm.2013.09.008
2. Манжай В.Н. Физико-химические аспекты турбулентного течения разбавленных растворов полимеров: дис. ... д-ра хим. наук: 02.00.04, 02.00.06. -Томск, 2009. - 277 с.
3. Development of pH sensitive polyacrylamide grafted pectin hydrogel for controlled drug delivery system / P.B. Sutar [et al.] // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. - 2008. - Vol. 19, № 6. - P. 2247-2253. DOI: 10.1007/s10856-007-3162-y
4. Анисимов И.А., Миронов Б.П. Зависимость эффекта Томса от размеров макромолекул полимеров // Влияние полимерных добавок и упругости поверхности на пристенную турбулентность. - Новосибирск, 1978. - С. 7-15.
5. Lewandowska K. Comparative studies of rheological properties of polyacrylamide and partially hydrolyzed polyacrylamide solutions // Journal of applied polymer science. - 2007. - Vol. 103, № 4. - P. 2235-2241. DOI: 10.1002/app.25247
6. Water-soluble copolymers. Effects of molecular parameters, solvation, and polymer associations on drag reduction performance / C.L. McCormick, R.D. Hester, S.E. Morgan [et al.] // Macromolecules. - 1990. - Vol. 23, № 8. -P. 2132-2139. DOI: 10.1021/ma00210a006
7. Swelling behavior of polyacrylamide/laponite clay nanocomposite hydrogels: pH-sensitive property / P. Li [et al.] // Composites Part B: Engineering. -2009. - Vol. 40, № 4. - P. 275-283. DOI: 10.1016/j.compositesb.2009.01.001
8. Effects of Alkali, Salts, and Surfactant on Rheological Behavior of Partially Hydrolyzed Polyacrylamide Solutions / S. Abhijit, B. Achinta, O. Keka [et al.] // Journal of Chemical Engineering. - 2010. - Т. 55, № 10. - P. 4315-4322. DOI: 10.1021/je100458a
9. Мягченков В.А., Чичканов С.В. Зависимость эффекта Томса от концентрации ионогенных сополимеров акриламида, ионной силы и природы электролита // Журнал прикладной химии. - 2003 - Т. 76, № 5. - С. 842-846.
10. Bruno M.O., Silveira L.F., Rosangela B.Z. Rheological approach of HPAM solutions under harsh conditions for EOR applications // International Journal of Engineering and Technology. - 2016. - Vol. 16, № 3. - P. 1-8.
11. Characterization of co-and post-hydrolyzed polyacrylamide molecular weight and radius distribution under saline environment / V. Patel, Y. Dalsania, M.S. Azad [et al.] // Journal of Applied Polymer Science. - 2021. - Vol. 138, № 26. - P. 50616. DOI: 10.1002/app.50616
12. Bonapasta A.A. Buda F., Colombet P. Interaction between Ca ions and poly(acrylic acid) chains in macro-defect-free cements: a theoretical study // Chem. Mater. - 2001. - Vol. 13. - P. 64-70. DPI: 10.1021/cm000505o
13. Чиканов С.В., Мягченков В.А. Эффект Томса - перспективные области применения // Вестник Казанского технологического университета. Химия, технология и использование полимеров. - 2003. - Т. 2. - С. 314-329.
14. Stability of the dispersed system in inverse emulsion polymerization of ionic acrylate monomers / A.I. Nechaev, N.S. Voronina, V.A. Valtsifer [et al.] // Colloid and Polymer Science. - 2021. - Vol. 299. - P. 1127-1138. DOI: 10.1007/s00396-021-04832-7
15. Влияние параметров среды и концентрации акрилатного ионогенного терполимера на эффект Томса / А.И. Нечаев, И.И. Лебедева, В.А. Вальцифер [и др.] // Журнал прикладной химии. - 2017. - Т. 90, № 11. - С. 1826-1832.
References
1. Pereira A.S., Andrade R.M., Soares E.J. Drag reduction induced by flexible and rigid molecules in a turbulent flow into a rotating cylindrical double gap device: comparison between poly (ethylene oxide), polyacrylamide, and xanthan gum. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2013, nn. 202, pp. 72-87. DOI: 10.1016/j.jnnfm.2013.09.008
2. Manzhaj V.N. Fiziko-himicheskie aspekty turbulentnogo techenija razbavlennyh rastvorov polimerov [Physicochemical aspects of turbulent flow of dilute polymer solutions]. Doctor's degree dissertation: 02.00.04, 02.00.06 / Manzhaj Vladimir Nikolaevich. Tomsk, 2009, 277 p.
3. Sutar P. B. et al. Development of pH sensitive polyacrylamide grafted pectin hydrogel for controlled drug delivery system. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2008, iss. 19, nn. 6, pp. 2247-2253. DOI: 10.1007/s10856-007-3162-y
4. Anisimov I.A., Mironov B.P. Zavisimost' jeffekta Tomsa ot razmerov makromolekul polimerov [Dependence of the Toms effect on the polymer macro-molecules size]. Vliyanie polimernyx dobavok i uprugosti poverxnosti na pristennuyu turbulentnost'. Novosibirsk, 1978. - P. 7-15.
5. Lewandowska K. Comparative studies of rheological properties of polyacrylamide and partially hydrolyzed polyacrylamide solutions. Journal of applied polymer science, 2007, iss. 103, nn. 4, pp. 2235-2241. DOI: 10.1002/app.25247
6. McCormick C.L., Hester R.D., Morgan S.E. et al. Water-soluble copoly-mers. Effects of molecular parameters, solvation, and polymer associations on drag reduction performance. Macromolecules, 1990, iss. 23, nn. 8, pp. 2132-2139. DOI: 10.1021/ma00210a006
7. Li P. et al. Swelling behavior of polyacrylamide/laponite clay nanocomposite hydrogels: pH-sensitive property. Composites Part B: Engineering, 2009, iss. 40, nn. 4, pp. 275-283. DOI: 10.1016/j.compositesb.2009.01.001
8. Abhijit S., Achinta B., Keka O. et al. Effects of alkali, salts, and surfactant on rheological behavior of partially hydrolyzed polyacrylamide solutions. Journal of Chemical Engineering, 2010, iss. 55, nn. 10, pp. 4315-4322. DOI: 10.1021/je100458a
9. Myagchenkov V.A., Chichkanov S.V. Influence of the concentration of ionic acrylamide copolymers, ionic strength, and kind of the electrolyte on the Thoms effect // Russ J Appl Chem, 2003, iss. 76, nn. 5, pp. 813-817. DOI: 10.1023/A:1026090010252
10. Bruno M.O., Silveira L.F., Rosangela B.Z. Rheological approach of HPAM solutions under harsh conditions for EOR applications. International Journal of Engineering and Technology, 2016. - V. 16. - № 3. - P. 1-8.
11. Patel V., Dalsania, Y., Azad, M. S. et al. Characterization of co-and post-hydrolyzed polyacrylamide molecular weight and radius distribution under saline environment. Journal of Applied Polymer Science, 2021, iss. 138, nn. 26, p. 50616. DOI: 10.1002/app.50616
12. Bonapasta A.A. Buda F., Colombet P. Interaction between Ca ions and poly(acrylic acid) chains in macro-defect-free cements: a theoretical study. Chem. Mater, 2001, nn. 3, pp. 64-70. DPI: 10.1021/cm000505o
13. Chikanov S.V., Myagchenkov V.A. Effekt Tomsa - perspektivnye oblasti primenenija [Toms effect - promising applications]. Vestnik Kazanskogo texnologicheskogo universiteta. Ximiya, texnologiya i ispol'zovanie polimerov, 2003, nn. 2, pp.314-329.
14. Nechaev A.I., Voronina N.S., Valtsifer V.A. et al. Stability of the dispersed system in inverse emulsion polymerization of ionic acrylate monomers. Colloid and Polymer Science, 2021, nn. 299, pp. 1127-1138. DOI: 10.1007/s00396-021-04832-7
15. Nechaev A.I., Lebedeva I.I., Val'tsifer V.A. et al. Influence of medium parameters and acrylate ionic terpolymer concentration on the Toms effect. Russ J Appl Chem, 2017, iss. 90, nn. 11, pp. 1826-1832. DOI: 10.1134/S1070427217110155
Об авторах
Нечаев Антон Игоревич (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, научный сотрудник, Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (614013, г. Пермь, ул. Ак. Королева, 3; e-mail: [email protected]).
Воронина Наталья Сергеевна (Пермь, Россия) - младший научный сотрудник, Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (614013, г. Пермь, ул. Ак. Королева, 3; e-mail: [email protected]).
Вальцифер Виктор Александрович (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор, заместитель директора по научной работе, Институт технической химии Уральского отделения Российской академии наук - филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН (614013, г. Пермь, ул. Ак. Королева, 3; e-mail: [email protected]).
About the authors
Anton I. Nechaev (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Researcher, Institute of Technical Chemistry Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - Branch of Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (3, str. Ak. Korolev, Perm, 614013, e-mail: [email protected]).
Natalia S. Voronina (Perm, Russian Federation) - Junior Researcher, Institute of Technical Chemistry Ural Branch of the Russian Academy of Sciences -Branch of Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (3, str. Ak. Korolev, Perm, 614013, e-mail: [email protected]).
Victor A. Valtsifer (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Deputy Director for Science, Institute of Technical Chemistry Ural Branch of the Russian Academy of Sciences - Branch of Perm Federal Research Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (3, str. Ak. Korolev, Perm, 614013, e-mail: [email protected]).
Поступила: 28.01.2022
Одобрена: 04.02.2022
Принята к публикации: 15.03.2022
Финансирование. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 19-43-590013 р_а. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Исследования материалов и вещества» ПФИЦ УрО РАН.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов равноценен.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Нечаев А.И., Воронина Н.С., Вальцифер В.А. Влияние низкомолекулярных электролитов и кислотности среды на реологические свойства растворов акрилатных полимеров // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2022. - № 1. - С. 104-120.
Please cite this article in English as:
Nechaev A.I., Voronina N.S., Valtsifer V.A. Effect of Electrolytes and Medium Acidity on Rheological Properties of Acrylate Polymers Solutions. Bulletin of PNRPU. Chemical Technology and Biotechnology. 2022. 1: 104-120 (In Russ).
