CN110937598A - 改性氧化石墨烯及其制备方法、应用 - Google Patents

改性氧化石墨烯及其制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种改性氧化石墨烯及其制备方法、应用。本申请提供的改性氧化石墨烯，由氧化石墨烯经过亲水聚合物化学改性得到。本申请中，使用亲水性聚合物对氧化石墨烯纳米片进行改性，其中石墨烯纳米片可改变油层岩石润湿性，乳化原油，使原油容易剥落和移动；水溶性聚合物接枝可通过空间位阻效应提高氧化石墨烯纳米片在盐水中稳定性，使氧化石墨烯纳米片在高矿化度地层水中也能稳定存在，即使在高盐环境中，亲水聚合物改性后纳米片仍然保持稳定，可有效提高驱油效率。

Description

改性氧化石墨烯及其制备方法、应用
技术领域
本申请涉及一种改性氧化石墨烯及其制备方法、应用，属于氧化石墨烯材料技术领域。
背景技术
如今，我国的大部分油田已进入高含水、高采出程度时期，许多油田在二次采油后仍有60％以上的原油因为采收困难而需要采用三次采油进行开采。大量研究表明，三次采油方法中的化学驱(包括聚合物驱、表面活性剂驱等)能提高采收率10％～19％，潜力巨大。但是目前化学驱技术仍存在着诸多缺陷，如表面活性剂易被岩层吸附或与钙离子反应生成沉淀而造成表面活性剂损失，大大影响了表面活性剂驱技术在油田的推广；聚合物流体注入地层后，在地层条件下会发生降解和进一步水解，使聚合物的稳定性降低；同时，由于地层水的矿化度较高，聚合物的黏度会降低，这些不利因素使聚合物的驱油效果大大减小，而增加聚合物的用量，又会使成本增加，不利于聚合物驱的应用。纳米粒子由于其诸多优异性能引起了研究者们的极大兴趣，现已被用于改善化学驱油。
目前，关于耐盐驱油剂的制备主要集中于现有聚合物改性及二元/三元等多元复配法，聚合物驱主要靠增加驱替液粘度，降低驱替液和被驱替液的流度比，扩大波及体积来实现提高采收率的目的，作用效果比较单一；而多元复配体系需针对特定油藏条件进行调整，过程繁琐，一旦油藏条件发生变化，就需要重新调整配方。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种改性氧化石墨烯，使用亲水性聚合物对氧化石墨烯纳米片进行改性，其中石墨烯纳米片可改变油层岩石润湿性，乳化原油，使原油容易剥落和移动；水溶性聚合物接枝可通过空间位阻效应提高氧化石墨烯纳米片在盐水中稳定性，使氧化石墨烯纳米片在高矿化度地层水中也能稳定存在，即使在高盐环境中，亲水聚合物改性后纳米片仍然保持稳定，可有效提高驱油效率。
一种改性氧化石墨烯，所述改性氧化石墨烯由氧化石墨烯经过亲水聚合物化学改性得到。
具体地，亲水聚合物化学接枝在氧化石墨烯纳米粒子的表面。
在本申请中，亲水聚合物改性氧化石墨烯纳米粒子，在催化剂作用下，通过氧化石墨纳米粒子表面羧基和亲水聚合物上氨基、羟基等反应，在氧化石墨烯纳米粒子表面引入含亲水基团的聚合物，提高氧化石墨烯纳米粒子耐盐性。
可选地，所述化学改性通过酯化反应和/或酰胺化反应实现。
可选地，所述亲水聚合物为含有亲水基团的聚合物；
其中，所述亲水基团包括羟基、氨基中的至少一种。
优选地，所述亲水聚合物选自聚乙烯醇、黄原胶、纤维素、壳聚糖中的至少一种。
可选地，所述改性氧化石墨烯的粒径为80-150nm。
根据本申请的另一方面，还提供了上述任一项所述的改性氧化石墨烯的制备方法，将含有氧化石墨烯和亲水聚合物的混合物，在催化剂的条件下，反应，即可得到所述改性氧化石墨烯。
可选地，所述催化剂选自1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶中、N-羟基琥珀酰亚胺的至少一种。
可选地，所述氧化石墨烯和亲水聚合物的质量比为1:20-50；
所述催化剂与氧化石墨烯的质量比为3～1：2。
可选地，所述反应条件为：反应温度15～35℃；反应时间为3-6h。
可选地，所述制备方法至少包括以下步骤：
a)获得含有氧化石墨烯的分散液；
b)获得含有亲水聚合物的水溶液；
c)将所述催化剂加入步骤a)中的所述分散液中，活化氧化石墨烯表面羧基，得到活化处理分散液；
d)将步骤b)中的所述水溶液加入步骤c)中的所述活化处理分散液中，反应，即可得到改性氧化石墨烯。
可选地，在步骤a)中，将购买的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，机械搅拌，搅拌均匀后超声剪切，得到含有氧化石墨烯的分散液。
可选地，搅拌的条件为：搅拌转速400～600r/min，搅拌时间20～40min。
可选地，超声剪切的条件为：剪切时间2～3h，剪切功率35～45Hz。
可选地，在步骤a)中，所述分散液的浓度为1～2mg/ml；所述氧化石墨烯的粒径为80-150nm。
可选地，在步骤b)中，将购买的亲水聚合物粉末溶解在蒸馏水中，机械搅拌至完全溶解。
可选地，在步骤b)中，机械搅拌的条件为：转速400～600r/min；时间60～120min。
可选地，在步骤b)中，所述水溶液的浓度为20～100mg/ml。
具体地，在步骤b)中，水溶液浓度的上限独立地选自30mg/ml、40mg/ml、100mg/ml；分散液的浓度的下限独立地选自20mg/ml、30mg/ml、40mg/m。
可选地，将所述催化剂滴加到入步骤a)中的所述分散液中，在滴加催化剂的同时搅拌所述分散液，使氧化石墨烯表面羧基活化。
可选地，在步骤c)中，搅拌的转速为200～400r/min。
可选地，在步骤d)中，将步骤b)中配制的亲水聚合物水溶液缓慢滴加到步骤c)中的活化处理分散液中，滴加过程保持机械搅拌，室温下反应3-6h。
可选地，在步骤d)中，机械搅拌的转速为600～800r/min。
可选地，在步骤d)中，所述水溶液与活化处理分散液的体积比为1：0.5～2。
优选地，在步骤d)中，所述水溶液与活化处理分散液的体积比为1:1。
可选地，在步骤d)后，最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h，12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。
根据本申请的又一方面，还提供了上述任一项所述的改性氧化石墨烯和/或上述任一项所述的制备方法得到的改性氧化石墨烯在石油开采领域中的应用。
本发明使用亲水性聚合物对氧化石墨烯纳米片进行改性，其中石墨烯纳米片可改变油层岩石润湿性，乳化原油，使原油容易剥落和移动，但石墨烯纳米片在盐水中容易絮凝失效，而水溶性聚合物接枝可通过空间位阻效应提高氧化石墨烯纳米片在盐水中稳定性，使氧化石墨烯纳米片在高矿化度地层水中也能稳定存在，即使在高盐环境中，亲水聚合物改性后纳米片仍然保持稳定，可有效提高驱油效率。
本申请能产生的有益效果包括：
1)本发明先使用催化剂活化氧化石墨烯纳米片表面羧基，再通过酯化反应和酰胺化反应接枝亲水聚合物，制备条件温和，反应速率高，制备出氧化石墨烯纳米片在盐水中稳定性好，在高矿化度环境下无明显沉淀，提高了驱油效率。
2)本发明制备条件温和，通过加入少量催化剂催化氧化石墨烯纳米片表面羧基和聚合物表面氨基、羟基反应，反应效率高，过程简单，原料来源广泛，比较经济，反应过程无有害物质排放，为制备一种新型耐盐驱油剂提供了一条简单可工业化生产的方法，生产出产品可应用于常规油藏和高矿化度油藏。
附图说明
图1为氧化石墨烯的红外光谱图；
图2为样品1#中的改性氧化石墨烯红外光谱图；
图3为样品1#中的改性氧化石墨烯粒径分布图；
图4为氧化石墨烯改性前后在盐水中分散照片；
图5为经纤维素改性氧化石墨烯分散液在90℃和20万矿化度条件下放置24h后照片；
图6为改性氧化石墨烯驱替实验过程压力、含水率、采收率变化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
本申请中，氧化石墨烯购买自常州第六元素材料科技股份有限公司；
红外测试仪器为Nicolet iS50傅立叶变换红外光谱仪。
粒径测试仪器为Zetasizer Nano ZSE纳米粒度仪。
一种亲水聚合物改性氧化石墨烯纳米粒子，在催化剂作用下，通过氧化石墨纳米粒子表面羧基和亲水聚合物上氨基、羟基等反应，在氧化石墨烯纳米粒子表面引入含亲水基团的聚合物，提高氧化石墨烯纳米粒子耐盐性。
一种亲水聚合物改性氧化石墨烯纳米粒子的制备方法，主要包括如下步骤：
步骤1：配制纳米粒子水分散液：将外购的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，浓度为1-2mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌30min；搅拌均匀后超声剪切，剪切时间2-3h，功率40Hz；
步骤2：配制亲水聚合物水溶液：将外购的聚合物粉末溶解在蒸馏水中，浓度为20-100mg/ml；机械搅拌，500转/min，搅拌60min至完全溶解；其中亲水聚合物包括：聚乙烯醇、黄原胶、纤维素、壳聚糖。
步骤3：加入催化剂，活化氧化石墨烯表面羧基：称取0.1-0.4g催化剂加入步骤1中氧化石墨烯水分散液中，一边滴加一边搅拌，搅拌转速为300转/min，使氧化石墨烯表面羧基活化；其中催化剂包括：1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC.HCL)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)。
步骤4：将步骤2中配制的亲水聚合物水溶液缓慢滴加到步骤3中氧化石墨烯分散液中，质量比1:20-50，滴加过程保持机械搅拌，700转/min，室温下反应3-6h。
步骤5：将步骤4反应完成后最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h,12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。
实施例1
步骤1：配制纳米粒子水分散液：将外购的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，浓度为1mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌30min；搅拌均匀后超声剪切，剪切时间2h，功率40Hz；
步骤2：配制亲水聚合物水溶液：将外购的亲水聚合物粉末(聚乙烯醇，分子量15-20万)溶解在蒸馏水中，浓度为20mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌聚乙烯醇60min至完全溶解；
步骤3：加入催化剂，活化氧化石墨烯表面羧基：称取0.1g催化剂4-二甲氨基吡啶(DMAP)加入200ml的步骤1中氧化石墨烯水分散液中，一边加一边搅拌，搅拌转速为300转/min，使氧化石墨烯表面羧基活化；
步骤4：将步骤2中配制的聚乙烯醇水溶液缓慢滴加到步骤3中氧化石墨烯分散液中，体积比1：2，滴加过程保持机械搅拌，700转/min，室温(25℃)下反应3h。
步骤5：将步骤4反应完成后最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h，12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。，记作样品1#。
实施例2：
步骤1：配制纳米粒子水分散液：将外购的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，浓度为1mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌30min；搅拌均匀后超声剪切，剪切时间3h，功率40Hz；
步骤2：配制亲水聚合物水溶液：将外购的黄原胶粉末(分子量10-15万)，溶解在蒸馏水中，浓度为30mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌60min至完全溶解；
步骤3：加入催化剂，活化氧化石墨烯表面羧基：称取0.2g催化剂4-二甲氨基吡啶(DMAP)加入200ml步骤1中氧化石墨烯水分散液中，一边滴加一边搅拌，搅拌转速为300转/min，使氧化石墨烯表面羧基活化；
步骤4：将步骤2中配制的亲水聚合物水溶液缓慢滴加到步骤3中氧化石墨烯分散液中，体积比1:1，滴加过程保持机械搅拌，700转/min，室温(20℃)下反应4h。
步骤5：将步骤4反应完成后最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h，12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。记作样品2#。
实施例3：
步骤1：配制纳米粒子水分散液：将外购的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，浓度为1mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌30min；搅拌均匀后超声剪切，剪切时间2.5h，功率40Hz；
步骤2：配制亲水聚合物水溶液：将外购的纤维素粉末(分子量10-15万)溶解在蒸馏水中，浓度为40mg/ml；机械搅拌，500转/min，搅拌60min至完全溶解；
步骤3：加入催化剂，活化氧化石墨烯表面羧基：称取0.3g催化剂4-二甲氨基吡啶(DMAP)加入200ml的步骤1中氧化石墨烯水分散液中，一边滴加一边搅拌，搅拌转速为300转/min，使氧化石墨烯表面羧基活化；
步骤4：将步骤2中配制的纤维素水溶液缓慢滴加到步骤3中氧化石墨烯分散液中，体积比1:0.5，滴加过程保持机械搅拌，700转/min，室温(30℃)下反应5h。
步骤5：将步骤4反应完成后最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h，12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。清洗完成后，通过烘干法测定产品固含量，记作样品3#。
实施例4：
步骤1：配制纳米粒子水分散液：将外购的氧化石墨烯分散在蒸馏水中，浓度为2mg/mL；机械搅拌，500转/min，搅拌30min；搅拌均匀后超声剪切，剪切时间3h，功率40Hz；
步骤2：配制亲水聚合物水溶液：将外购的壳聚糖粉末(分子量10-15万)溶解在蒸馏水中，浓度为100mg/ml；机械搅拌，500转/min，搅拌60min至完全溶解；
步骤3：加入催化剂，活化氧化石墨烯表面羧基：称取0.4g催化剂1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC.HCL)加入200ml步骤1中氧化石墨烯水分散液中，一边滴加一边搅拌，搅拌转速为300转/min，使氧化石墨烯表面羧基活化；
步骤4：将步骤2中配制的亲水聚合物水溶液缓慢滴加到步骤3中氧化石墨烯分散液中，体积比1:1，滴加过程保持机械搅拌，700转/min，室温(25℃)下反应6h。
步骤5：将步骤4反应完成后最终产物用透析袋在蒸馏水中透析24h,12h换一次蒸馏水，其中透析袋截留分子量为10-15万，以去除未反应聚合物和催化剂。记作样品4#。
实施例5
分别对样品1#～4#中的改性氧化石墨烯进行结构表征，红外测试表明，在改性氧化石墨烯中，氧化石墨中的-COOH和亲水聚合物中-OH发生了酯化反应。
以样品1#为典型代表，图1为氧化石墨烯的红外光谱图，图2为样品1#的红外光谱图。由图1和图2对比可以看出，与氧化石墨烯(GO)的红外光谱图相比较，PVA(聚乙烯醇)改性氧化石墨烯(GO-PVA)的红外光谱图中2920cm-1处吸收峰对应PVA中C-H伸缩震动，而GO在1720cm-1处-COOH中C＝O的伸缩震动峰减弱，说明氧化石墨中的-COOH和PVA中-OH发生了酯化反应。
实施例6
分别对样品1#～4#中的改性氧化石墨烯进行粒径分布测试。测试结果表明，改性氧化石墨烯的粒径为80-150nm。
以样品1#为典型代表，图3为改性氧化石墨烯粒径分布图，由图3可以看出，改性氧化石墨烯的粒径为80-150nm。
实施例7
分别对样品1#～4#中的改性氧化石墨烯进行耐盐性测试测试，测试结果表明：氧化石墨烯经过亲水聚合物改性后，耐盐性提高，在盐水中稳定性增高；
以样品2#为典型代表，图4为氧化石墨烯改性前后在盐水中分散照片，其中左图为氧化石墨烯盐水分散液，右图为经黄原胶改性后氧化石墨烯盐水分散液，其中氯化钠浓度均为20mg/ml。从图4中可以看出，氧化石墨烯在盐水中不稳定，絮凝沉淀；经黄原胶改性后，氧化石墨烯在盐水中稳定性提高，保持均匀分散状态。
实施例8
分别对样品1#～4#中的改性氧化石墨烯进行高矿化度稳定性实验测试，测试结果表明：在90℃和20万矿化度(氯化钠浓度20mg/ml)条件下，经亲水聚合物改性后氧化石墨烯稳定性较好。
以样品3#为典型代表，图5为经纤维素改性氧化石墨烯分散液在90℃和20万矿化度(氯化钠浓度20mg/ml)条件下放置24h后照片，测试结果表明，经纤维素改性后氧化石墨烯在高矿化度环境下稳定分散，无明显沉淀。
实施例9
分别对样品1#～4#中的改性氧化石墨烯进行石油驱替实验测试，测试结果表明：氧化石墨烯经聚合物改性接枝后，可提高采收率10％以上。
以样品4#为典型代表，进行石油驱替物模实验，其中岩心为河沙填砂管，尺寸25mm*500mm，水测渗透率450mD；矿化水为模拟油田水，矿化度1万；油样：现场原油；测试温度70℃；注入速度0.5ml/min，样品浓度50ppm。
从图6中可以看出，壳聚糖改性氧化石墨(GO-CS)驱替过程，填砂管入口端压力明显增高，提高石油采收率13％左右。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种改性氧化石墨烯，其特征在于，所述改性氧化石墨烯由氧化石墨烯经过亲水聚合物化学改性得到。
2.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯，其特征在于，所述化学改性通过酯化反应和/或酰胺化反应实现。
3.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯，其特征在于，所述亲水聚合物为含有亲水基团的聚合物；
其中，所述亲水基团包括羟基、氨基中的至少一种；
优选地，所述亲水聚合物选自聚乙烯醇、黄原胶、纤维素、壳聚糖中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯，其特征在于，所述改性氧化石墨烯的粒径为80-150nm。
5.权利要求1至4任一项所述的改性氧化石墨烯的制备方法，其特征在于，将含有氧化石墨烯和亲水聚合物的混合物，在催化剂的条件下，反应，即可得到所述改性氧化石墨烯。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂选自1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、4-二甲氨基吡啶、N-羟基琥珀酰亚胺中的至少一种；
优选地，所述氧化石墨烯和亲水聚合物的质量比为1:20-50；
所述催化剂与氧化石墨烯的质量比为3～1：2；
优选地，所述反应条件为：反应温度15～35℃；反应时间为3-6h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：
a)获得含有氧化石墨烯的分散液；
b)获得含有亲水聚合物的水溶液；
c)将所述催化剂加入步骤a)中的所述分散液中，得到活化处理分散液；
d)将步骤b)中的所述水溶液加入步骤c)中的所述活化处理分散液中，反应，即可得到改性氧化石墨烯。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在步骤a)中，所述分散液的浓度为1～2mg/ml；所述氧化石墨烯的粒径为80～150nm；
优选地，在步骤b)中，所述水溶液的浓度为20～100mg/ml；
优选地，在步骤d)中，所述水溶液与活化处理分散液的体积比为1：0.5～2。
9.一种驱油剂，其特征在于，所述驱油剂包括权利要求1至4任一项所述的改性氧化石墨烯和/或权利要求5至8任一项所述的制备方法得到的改性氧化石墨烯。
10.权利要求9中的驱油剂在石油开采领域中的应用。
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