[发明专利]一种双子季铵盐表面活性剂合成方法和作为减阻剂的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种双子季铵盐表面活性剂合成方法和作为减阻剂的应用，特别是一种长链烃基二甲基(或二羟乙基)双子季铵盐混合物合成方法和作为循环水管道减阻节能剂的应用，属于精细化工和环保节能领域。

背景技术

建筑物空调、小区集中供热系统、工业生产装置和输油供热伴管的循环水系统普遍存在高能耗的问题，其中循环泵能耗高达系统能耗的30％-50％。在循环水中系统中加入管道减阻剂是简便易行的节能方法，近年来在国内外受到普遍关注，相关研究论文和发明专利比较多。丹麦、荷兰、加拿大、美国、日本和新加坡等国家对减阻节能技术进行了大量的研究，已取得显著成效，开发的高效减阻节能剂使管道摩擦阻力最高可减少70％-80％，发明人曾在《工业水处理》杂志，2010年，第8期，第15-18页详细综述了国内外循环水管道减阻节能剂研究进展。

早期的循环水管道减阻剂通常是一些高分子聚合物，例如美国专利US1352284公开一种由聚氧乙烯高分子、悬浮剂和表面活性剂等组成的管道减阻剂配方，实际应用中高分子聚合物易被循环泵和应力作用剪切失去减阻性能。聚合物减阻剂还会降低水溶液的传热系数，其应用范围受到很大限制。后来发现能形成长杆状胶束的表面活性剂也具有良好的减阻功能，它受应力作用和被机械装置破坏失去减阻效果，当应力作用减弱后减阻作用能够恢复。长链烃基季铵盐表面活性剂分子能形成长杆状胶束，因而具有良好的减阻性能，国内外表面活性剂减阻节能剂的开发和应用研究主要集中在长链烃基三甲基氯化铵/水杨酸钠体系上。长链烃基季铵盐表面活性剂分子是主体分子，水杨酸是辅助离子，长链烃基季铵盐表面活性剂和辅助离子可形成缔合物，辅助离子可稳定和促进长杆状胶束的形成，能够增强主体分子的减阻效果。例如，美国道化学公司在美国专利US4534875(1985-8-13)公开一种十六烷基三甲基氯化铵和水杨酸钠构成的粘弹性表面活性剂减阻剂；德国赫斯特公司在美国专利US4705860(1987-11-10)公开一种十六烷基三甲基铵盐和3-羟基-2萘甲酸钠组成的粘弹性表面活性剂减阻剂；英国普拉德公司在中国专利CN101528889(2009-09-09)公开一种长链烃基三甲基氯化铵和水杨酸钠构成的的油田注水减阻剂配方；天津市职业大学在中国专利CN101538090(2009-09-23)公开一 种十二烷基二甲基苄基氯化铵和羟基亚乙基二膦酸钠构成的循环水管道减阻剂配方。

长链烃基季铵盐表面活性剂减阻剂的化学性质稳定，抗剪切，减阻胶束具有自修复功能，理论上可以在循环水系统中长期使用，然而在应用于住宅小区供暖系统上时遇到了困难。现有减阻节能剂应用中存在的主要问题是：(1)所需减阻节能剂的添加浓度较高，对普通碳钢管道有明显腐蚀性；(2)减阻节能剂配方专用性强，适用温度和流速范围比较窄；(3)季铵盐表面活性剂的刺激性较大，应用中泄露废水的生物安全性差。

双子(Gemini)季铵盐表面活性剂是一类具有特殊分子结构的新型表面活性剂。传统的表面活性剂只有一个亲水基团和一个亲油基团，而双子表面活性剂具有至少两个以上亲水基团(离子头基或极性基团)和至少两个以上亲油基团，并在亲水基团或靠近亲水基团通过化学键连接而成，如下所示。

双子季铵盐表面活性剂的两个亲水基使其可以同时拥有较长的疏水链和很好的水溶性。此外，连接基团用化学键将两个亲水基连接起来，减小了电性相同的亲水基间的静电斥力以及水化层的障碍，促进了表面活性剂离子的紧密排列。双子表面活性剂在相界面排列紧密，其临界胶束浓度(cmc值)比传统表面活性剂低1～2个数量级，对皮肤和眼睛的刺激性很低，在降低表面张力方面的效能比较高，低浓度下即可使溶液产生表观黏弹行为。近年来，中国在双子季铵盐表面活性剂的合成方面进行大量研究，中国专利CN101759575(2010-06-30)公开一种双子季铵盐表面活性剂的合成方法和在三次采油中的应用；中国专利CN101766972(2010-07-07)、CN101332419(2008-12-31)和CN101185867(2008-05-25)公开了一些常见双子季铵盐表面活性剂的合成方法，但缺乏具体的应用领域。《化工中间体》杂志，2006年，第10期，第10-12页比较详细地综述了双子季铵盐表面活性剂的合成工艺路线，典型合成反应如下：

其中，R是C8-C22的烃基。双子季铵盐合成收率80％左右，原料利用率不高，未见混合叔胺合成双子季铵盐和作为循环水减阻节能剂应用的报道。

发明内容