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盐离子对阴非离子型表面活性剂在气液界面聚集行为影响的分子动力学模拟说明书
盐离子对阴-非离子型表面活性剂在气液界面聚集行为影响的分子动力学模拟
摘要
随着我国各大油田进入高含水期,水驱稳产难度越来越大。
因此开发经济有效的三次采油技术,提高原油采收率成为目前我国各大油田亟待解决的问题。
化学驱是我国应用最普遍的三次采油技术。
众多化学驱油剂中,表面活性剂能降低油水界面张力、改变岩石润湿性、可较大幅度提高原油采收率。
但是针对适用于高温、高矿化度条件下的阴-非离子型表面活性剂的研究相对较少。
本文采用分子动力学模拟的方法研究了盐离子(Na+、Ca2+、Mg2+)对十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠(A12ESO2)在气/液界面聚集行为的影响。
研究表明:
无机盐离子的加入压缩了A12ESO2体系中的界面水层、使头基周围水化层结构更加有序、头基周围水分子和Na+的扩散行为受到限制等;离子浓度是影响A12ESO2体系界面水层和头基周围水化层的重要因素;不同盐离子对头基周围水分子和Na+扩散行为的影响程度,以及界面双电层受压缩的影响程度由强到弱的顺序均为:
Mg2+>Ca2+>Na+。
关键词:
十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠;表面活性剂;盐离子;分子动力学
ABSTRACT
AsChinesemajoroilfieldsenterhighwatercutperiod,maintainingoilproductionrateforwaterfloodingreservoirsismoreandmoredifficult.Sodevelopingcost-effectiveEnhancedOilRecovery(EOR)andincreasingoilrecoverybecomeaseriousproblemurgently.Inourcountry,chemicalfloodingisoneofthemostgeneralEnhancedOilRecoverytechnology.Besides,thesurfactantscanreducetheinterfacialtensionandchangetherock’swetting,whichareoneofthehighperformanceandwidelyusedchemicaloildisplacementagents.Butthestudiesofnon-ionicsurfactantswhichareusedunderhightemperatureandhighsalinityconditionsarerelativelyfew.Inthispaper,weinvestigatetheeffectsofionsonthemonolayerofA12ESO2surfactantadsorbedatthevapor/liquidinterfacebymoleculardynamicsstudy.Theresultsshowthationscancompressinterfacialwaterlayer,makethehydrationshellofthesurfactantsmoreorderly,andlimitthediffusionofwaterandNa+aroundthehead;Theconcentrationofionsisanimportantfactoraffectinginterfacialwaterlayerandthehydrationshellofthesurfactants;TheinfluencedegreeofdifferentionsonthediffusionofwaterandNa+aroundtheheadisMg2+>Ca2+>Na+,andtheoutcomeoftheinfluencedegreeofelectricdoublelayeristhesame.
Keywords:
A12ESO2;surfactant;ions;moleculardynamics
第1章前言
由于我国大部分油田的开发逐渐进入了高含或特高含水期,水驱稳产难度逐渐增大,油田的开发形势变得越来越严峻。
在目前的水驱条件下,采收率仅为35%~45%,大约有2/3的储量仍在地下[1]。
因此如何最大限度地开采出地下剩余原油已成为我国油田亟待解决的问题。
近年来,化学驱提高原油采收率技术为油田的稳产增产做出了重要贡献,取得了较大的经济效益,因此受到人们越来越多的关注[2-3]。
表面活性剂作为三次采油中的重要驱油剂,不仅能降低油水界面张力,改变原油的乳化性能,形成稳定的油水乳状液;还能改变底层表面的润湿性,减小原油对地层表面的粘附力,从而大幅度的提高原油采收率,被认为是最具发展前景的一种化学剂。
目前,油藏的高矿化度状况使驱油用表面活性剂的研究面临着新的问题,如高温高盐油藏中的金属离子特别是钙镁离子容易使一些阴离子表面活性剂造成盐析而不能使用。
非离子表面活性剂虽耐盐性能好,但在地层中很难稳定地存在,且不耐高温,价格较昂贵。
当前,在表面活性剂的使用方法中,最普遍的是将两类表面活性剂复配[4],但该方法在采油地层中会产生严重的“色谱分离”。
为了解决实际应用中“色谱分离”的问题,科研工作者将这两类表面活性剂中的有效基团设计到同一个分子结构中,进而得到了耐温和耐盐性能都相对较好的阴-非离子型表面活性剂[5-6]。
脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐(AESO)就是该表面活性剂中的一种。
因此,研究无机盐离子对该类表面活性剂性质的影响对其适应于油藏高矿化度条件具有实际的指导意义。
1.1表面活性剂简介
1.1.1表面活性剂的定义及结构特征
表面活性剂是这样一类物质,当它在溶液中以很低的浓度溶解分散时,优先吸附在表面或界面上,使表面或界面张力显著降低;当它达到特定浓度时,表面活性剂在溶液中聚集在一起,形成胶团[7]。
表面活性剂结构可分为性质差异明显的两部分,分别是亲水性的极性基团和疏水性非极性基团,其中非极性集团主要是碳氢链。
由于极性和非极性集团位于表面活性剂分子的两端,故表面活性剂分子为不对称的结构,其结构特征为既亲油又亲水的两亲分子,如图1-1所示。
它具有能防止油水相排斥,并将两相连结起来的功能。
但是并非所有的两亲分子都称为表面活性剂,只有满足一定的条件两亲分子才是表面活性剂,如碳氢链长必须在8到20之间。
这是因为碳氢链长或过短会导致亲水或亲油性太差,都不宜作为表面活性剂的疏水链[1]。
图1-1两亲分子示意图
双亲的分子结构使得表面活性剂一部分倾向于溶于水,而另一部分则倾向于从水中逃离,具有双重性质。
结果导致在其水溶液中的表面活性剂分子被吸附于气/液界面或油/水界面,并形成独特的定向排列的单分子膜[7]。
溶液中表面活性剂在低浓度时以单分子存在,随着溶液中表面活性剂浓度的增加,溶液表面的吸附达到饱和后,表面活性剂可通过碳氢链的疏水作用缔合成胶态聚集物,即形成胶束,如图1-2所示。
形成胶束的表面活性剂具有将不溶或微溶于水的有机物加溶在胶团中的功能[1]。
图1-2表面活性剂在其溶液表面的定向吸附和在溶液内部形成胶团
1.1.2表面活性剂的分类
表面活性剂种类繁多,根据其亲水基、亲油基的化学结构和性质及其适用范围等有多种分类标准。
由于表面活性剂最常见的是水溶液体系,因此人们将表面活性剂在水中的行为作为标准对其进行分类。
表面活性剂在水溶液中溶解时,能够电离生成离子的称为离子型表面活性剂,不能电离生成离子的称为非离子表面活性剂[8]。
根据电离后活性部位的区别,又可将离子型分为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和两性表面活性剂。
(1)阴离子型表面活性剂
阴离子型表面活性剂是指其活性部位为阴离子部分的表面活性剂,根据其官能团的特性又可分为磺酸盐(R-SO3Na)、羧酸盐(R-COONa)、硫酸酯盐(R-OSO3Na)和磷酸酯盐。
磺酸盐表面活性剂中的磺酸为强酸,有很强的亲水性,因此即使在酸性介质中加热也不会分解影响溶解度,具有优良的润湿性能、洗涤性能;肥皂即脂肪羧酸盐(钠盐居多),是一种古老的表面活性剂,肥皂除净洗作用外还有润湿、乳化和发泡作用;硫酸酯盐则具有良好的乳化、起泡性能;磷酸酯盐应用较少,生产不多,抗静电及抗硬水性强,为低泡表面活性剂,常用作乳化剂、抗静电剂及抗蚀剂。
(2)阳离子型表面活性剂
具有表面活性的是阳离子部分,此类表面活性剂中绝大部分是有机胺的衍生物,如有机胺的盐酸盐或醋酸盐、季铵盐、吡啶盐等。
阳离子型表面活性剂最显著的特点是在一般固体表面易于吸附和杀菌性能优良。
它具有某些特殊的用途,如可用作矿物浮选剂、柔软剂、抗静电剂、颜料分散剂等。
但是该类表面活性剂一般价格较高,洗涤性能差。
(3)非离子型表面活性剂
在水溶液中不电离,其亲水基部分多由聚氧乙烯基构成。
非离子型表面活性剂的亲水性能一般由所含的氧乙烯基的数目来控制。
该类表面活性剂可分为脂肪醇聚氧乙烯醚(R-O-(C2H4O)n-H)、脂肪酸聚氧乙烯酯(R-COO-(C2H4O)n-H)、烷基酚聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基酰醇胺、多元醇类和聚氧烯烃整体共聚物等。
非离子型表面活性剂的结构特点决定了其在某些方面比离子型表面活性剂优越。
由于在溶液中不易电离,非离子型表面活性剂不易受强电解质和无机盐、酸、碱的影响,故其稳定性较高。
非离子表面活性剂的主要缺点是随着温度的升高,一般溶解度下降。
这是由于它的水溶液中的氢键随温度升高而破坏,导致其亲水性减弱而不溶于水,原来透明的溶液会变浑浊,由清晰变为浑浊时的温度成为浊点。
(4)两性表面活性剂
此类表面活性剂的分子结构与氨基酸的结构相似,也容易形成“内盐”。
因为在两性表面活性剂分子中同时存在着酸性基和碱性基。
两性表面活性剂有以下主要类型:
甜菜碱系、氨基酸系、咪唑啉系和软磷脂系等。
两性表面活性剂的酸性基主要是羧酸基和磺酸基,碱性基主要是胺基或季铵基。
由于该类表面活性剂易溶于水,杀菌作用较柔和,刺激性较少,毒性小,所以两性表面活性剂常用作杀菌剂、防蚀剂、油漆颜料的分散剂、柔软剂以及抗静电剂等。
1.1.3表面活性剂在三次采油中的应用
表面活性剂于20世纪20年代末在石油开采中应用。
DeGroot[9]首次提出表面活性剂能够提高石油采收率的理论,并被实验证实:
多环磺化物和木质素亚硫酸盐的废液在25~1000mg/L浓度时能够起到提高石油采收率的效果。
到20世纪40年代时,Blair等人[10]提出向油井内注入烷基硫酸盐可以除去蜡固体从而达到产量提高的目的。
之后,Holbrook指出脂肪酸皂、聚二醇酯、脂肪酸盐和磺酸盐、聚氧化乙烯类化合物以及有机高氟化合物等物质都能达到降低界面张力,进而提高原油采收率的目的。
但当时表面活性剂的研究进展因价格昂贵、实验条件苛刻等因素受到限制。
直到20世纪60年代,表面活性剂驱油技术才开始有了较大的进展。
到70年代石油危机爆发以后,石油的大量需求和短缺加速了表面活性剂驱油技术的研究。
在早期阶段,应用和研究最多的表面活性剂是石油磺酸盐,它具有生产工艺简单、价格廉价、与原油配伍性好、水溶性强、稳定性好、降低界面张力能力强等诸多优异性能[11]。
20世纪80年代后,研究人员设计出了分子结构中同时含有两个极性基团的两性表面活性剂[8],该类表面活性剂能够更好的适应高矿化的油藏条件。
后来,为了解决表面活性剂在单独使用时出现的问题,如波及系数低、驱油效率差、吸附损失严重、表面活性剂的使用量大和成本高等,ClarkS.R.等人[12]进行了碱-表面活性剂-聚合物(ASP)的共驱研究,结果表明这种共驱方式能将原油采收率提高15%左右,且受到了人们的高度关注[13]。
我国胜利油田也在1988年开始了对碱-表面活性剂-聚合物共驱方法的研究[14]。
到90年代后,国外对驱油用表面活性剂的研究重点集中到重烷基苯磺酸盐上,该类表面活性剂具有价格低廉、环保实惠、含有多种类型表面活性剂基等特点,且其界面活性远高于单纯的十二烷基苯磺酸盐[15]。
20世纪末,各种新型的表面活性剂被相继研发和应用,其中Gemini(孪连)表面活性剂引起了人们的广泛关注。
1993年美国纽约州立大学Brooklyn学院的Rosen[16]小组首次提出了Gemini(孪连)表面活性剂的概念,这类表面活性剂具有易形成胶束、卡拉夫特点(Krafftpoint)低、皂化分散能力强、与非离子表面活性剂复配时协同效应明显、降低界面张力的能力强等优点。
进入21世纪以来,随着人们对表面活性剂结构与性能关系的深入了解,以及驱油理论的完善和发展,国内外的研究人员进行了大量的设计合成新型表面活性剂的工作,并对各类表面活性剂的性质进行了大量的实验和理论方面的研究。
1.2聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂
1.2.1聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂简介
聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂是一种新型复合型表面活性剂,该类表面活性剂是为适应三次采油技术发展而开发的,其结构通式为:
R-(OCH2CH2)n-SO3M。
通式中R为烷基或是烷基苯基,总碳数为8~18;n为氧乙烯聚合度,其值为1~20;M为一价金属阳离子或铵离子。
从其结构通式中可以看出,在该类表面活性剂分子结构中,既含有阴离子亲水基团-磺酸根,又含有非离子亲水基团-氧乙基。
正是这种特殊的结构使得该类表面活性剂兼具非离子和阴离子这两类表面活性剂的优点,具体表现如下[17]:
(1)具有良好的水溶性;
(2)具有优良的助溶性,不仅能够增加物质的溶解度,还能够提高物质的溶解速度;
(3)能使油水界面张力发生显著降低;
(4)不仅热稳定性良好,而且水解稳定性也较好;
(5)耐盐性能优良;
(6)润湿性、润滑性和乳化性均良好等。
1.2.2聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂的研究现状
有关脂肪醇醚磺酸盐类表面活性剂的第一个专利于1938年问世。
自该专利问世后,人们先后采用多种不同的工艺路线合成了不同结构的醇醚磺酸盐类表面活性剂,并对其性质和应用进行了广泛的研究[18]。
Dahanyak等[19]制备了含有一个氧乙基的脂肪醇醚磺酸盐,并对其在不同温度、不同NaCl浓度溶液中的表面活性和热力学性质进行了研究。
研究表明表面活性剂在临近胶束浓度下的表面张力在纯水相中并没有因一个氧乙基的引入而有所增加,但该值在0.1M和0.5MNaCl溶液中因一个氧乙基的引入而有所增加。
王业飞等[20]以AES为原料合成了脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸钠表面活性剂。
但是该研究方法中使用了丙烷磺内酯,而纯化这种致癌物质较昂贵。
鉴于安全性考虑,该合成方法难于进行工业化生产。
石明理等[21]由R-(OE)m-OH(m=0,1,2)各醇与羟乙基磺酸钠反应制备了氧乙基化的醇醚磺酸钠,并研究了引入多个氧乙基的同类化合物R-(OCH2CH2)n-SO3Na(R=C12-18烷基;n=1,2,3)的表面活性。
研究结果表明,烷基相同的磺酸盐表面活性剂的表面活性随氧乙基数目的增加而不断增强,OE为n=3的十二烷基和十四烷基的磺酸盐最好。
张永民等[18]总结了国内外脂肪醇醚磺酸盐类表面活性剂合成的不同工艺路线,主要有:
卤化脂肪醇醚法、烯基加成法、丙烷磺内酯法、羟乙基磺酸钠法、AES转化法和氯乙基磺酸钠法等,并分析比较了各种方法中的反应路线、生成物产率、工艺流程以及原料性能等方面,讨论了各种方法中存在的问题以及实现工业化生产的可行性。
上述具有多个氧乙基数的醇醚磺酸盐表面活性剂适合作驱油剂,尤其适合应用于高温高矿化度油藏。
该类表面活性剂不仅能够单独使用,也可作为助剂与其它表面活性剂复配使用[22]。
如烷基酚聚氧乙烯醚磺酸盐与烷基磺酸盐复配使用,可改进地下岩层的渗透性和孔隙度,最终可得到提高原油采收率的目的;烷基酚聚氧乙烯醚磺酸盐与烷基酚聚氧乙烯醚同时使用,可增加相的稳定性,故适用于渗透性变化大的岩层中的三次采油。
李立勇等[6]将脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐(AESO)与廉价的表面活性剂重烷基苯磺酸盐(HABS)复配,分别考察了AESO以及AESO与HABS复配后表面活性剂耐钙、镁离子浓度及耐高温的性能。
通过比较不同温度、不同矿化度条件下,界面张力和表面活性剂活性水解率等参数,得出表面活性剂AESO以及AESO与HABS复合表面活性剂具有较好的耐钙、镁离子及耐高温的性能,适合应用于高温、高矿化度油藏下的三次采油。
中国日化院制备了不同的脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸钠,经纯化精制后对其应用性能和配伍性进行了研究。
结果表明:
不同碳链长度的脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸钠(AnESO3Na,n=14,16,18,EO=3)随着疏水基碳链的增长,稳泡性能和乳化力增强,但是润湿性和发泡力变弱。
中相乳状液研究结果表明3种AnESO3Na均具有很好的耐盐性,且A18ESO3Na>A16ESO3Na>A14ESO3Na。
此外,与重烷基苯磺酸钠复配后可在较大程度上提高复配体系的耐盐性。
除了研究不同碳链长度对聚氧乙烯醚磺酸盐性能的影响,中国日化院还研究了3种不同EO加合数(n=4,6,8)的壬基酚聚氧乙烯醚磺酸盐性质的差异。
研究结果表明,随着EO聚合数的增大,壬基酚聚氧乙烯醚磺酸钠的界面张力增大,临界角束浓度减小,饱和吸附量Гmax减小,最小占有面积Amin增大,润湿性和发泡力均有所降低,而稳泡性和耐钙稳定性增强。
此外,与重烷基苯磺酸盐(HABS)复配的结果表明,两类表面活性剂复配后能够明显改善HASB的耐盐性。
综上所述,虽然该类表面活性剂应用前景广阔,但是目前对脂肪醇醚磺酸盐表面活性剂的研究主要停留在实验室阶段,尚没有大规模的工业化生产[23]。
此外,对于其耐盐性的研究并不能从微观角度解释其作用机理。
而分子模拟方法在研究分子间相互作用方面具有独特的优势,科研工作者采用该方法在常规阴离子表面活性剂耐盐性的研究中已经取得了一定的成果。
1.3无机盐对表面活性剂聚集行为的影响
1.3.1无机盐对表面活性的影响
当表面活性剂体系中加入一定量的无机盐以后,体系的表面活性会有所增强,具体表现为溶液的表面张力和临界胶束浓度cmc显著降低,即适量的无机盐能够提高表面活性剂降低溶液表面张力的能力和效率[24]。
例如,徐桂英等[25]通过研究2-乙基-己基琥珀酸酯磺酸钠(AOT)在不同浓度的NaCl溶液中的表面张力等温线,发现随着NaCl浓度的增加,表面张力和临界胶束浓度变小。
研究证实,表面活性剂在油水界面的行为也符合这一规律。
1.3.2无机盐对胶束大小和形状的影响
离子型表面活性剂由于碳氢尾链的疏水作用和极性头基间的库仑作用能够在水溶液中形成胶束。
无机盐对表面活性剂胶束的大小和形状也有显著的影响。
一般认为,体系中无机盐的存在能够使表面活性剂头基之间的库仑斥力降低,这是无机盐对聚集体形态影响的关键。
例如,Alargova通过动态光散射实验研究了高价盐离子对阴离子表面活性剂SDE2S胶束聚集体的影响[24]。
研究结果表明Ca2+和Al3+在离子浓度很低时就能够明显改变胶束的大小和形状。
当离子浓度达到某一特定值时胶束会从球状转变为棒状。
1.3.3无机盐对溶解度的影响
无机盐与表面活性剂离子相互作用可导致表面活性剂的溶解度降低,甚至形成沉淀[24]。
例如Somasundaran等研究SDS与Al3+混合体系时发现,在含有一定量Al3+的溶液中加入SDS时,表面活性剂浓度很小时没有沉淀形成;当SDS浓度达到一定值后,体系中会不断生成沉淀;当继续增大SDS的浓度时,已形成的沉淀会发生溶解,直到溶液又变为澄清。
1.4本论文的研究背景及研究内容
目前各大油田在三次采油中应用最多的表面活性剂是阴离子型和非离子型的。
其中阴离子型表面活性剂虽界面活性和耐温性能较好,但是耐盐性能差,易与地层中的盐离子发生相互作用,因而不宜在高矿化度下使用;非离子表面活性剂虽耐盐性能好,但在地层中较难稳定存在,且价格昂贵。
脂肪醇聚氧乙烯醚磺酸盐表面活性剂集阴、非离子两类表面活性剂的优点于一身,耐温和耐盐性能良好,适合于高温、高矿化度条件下原油的开采。
但是对于这种类型表面活性剂的研究目前还只停留在实验室阶段,对其耐盐机理尚不清楚。
在对常规阴离子表面活性剂耐盐性的研究中,科研工作者采用分子模拟的方法已经取得了一定的成果。
因此,采用分子模拟的手段研究该类阴-非离子型表面活性剂与盐离子的相互作用对于从分子水平理解其耐盐机理有一定的指导意义。
本论文采用分子动力学方法研究了十二烷基聚氧乙烯醚磺酸钠表面活性剂在不同气液界面下的聚集行为,以此来反映Na+、Ca2+和Mg2+对该表面活性剂在气液界面聚集行为的影响,以期能为当前强化采油技术中表面活性剂的选择提供指导性意见,为进一步研究其耐盐机理提供指导。
第2章理论计算方法和模拟软件简介
2.1理论计算方法简介
理论计算方法是一门新兴的学科,该学科的依托为计算机,其理论基础为量子力学和统计力学。
它以量子化学计算和分子力学模拟为主要手段,辅助实验工作者从微观角度来理解核心的化学问题,是理论和实验之间的桥梁[25]。
下面主要针对分子模拟中的量子力学方法、分子力学方法和动力学模拟进行简单介绍。
2.1.1量子力学方法
量子力学方法(QuantumMechanics,简称QM)的基础是原子分子的微观结构模型。
该方法指在合理的近似条件下,利用量子力学原理和必要的数学处理方法与计算方法,研究原子、分子的电子结构、分子间作用力、光谱和电子能谱,化学反应的机理,以及化合物、生物大分子和各种功能材料的结构性能等[27]。
量子力学的理论依据是薛定谔方程。
微观粒子的运动服从薛定谔方程,原子或分子处于稳态性质的薛定谔方程为本征方程,由此可得到描述体系状态的波函数和总能量。
求解体系的薛定谔方程是相当困难的,因此需要引进各种近似方法,如变分法、微扰理论和密度泛函理论等。
这种方法适合于简单的分子或电子数量较少的体系。
但实际生产中的许多体系,例如生化分子(蛋白质、核酸、多糖等)、聚合物分子等均含有大量的原子和电子。
像这样复杂的含有电子数目过多的体系现今仍不可能完全只依赖于量子力学计算。
为了解决这样庞大体系的问题,科学家研究出了各种可行的非量子力学方法,如分子力学、分子动力学等,利用这些方法可以解决许多复杂系统的问题,而且能够得到比较精确的结果。
2.1.2分子力学方法
起源于1970年的分子力学方法(MolecularMechanics,简称MM)是一种以经典力学为依据的计算方法。
该方法依据玻恩-奥本海默近似(Born-Oppenheimerapproximation)原理,在计算过程中忽略电子的运动,将体系的能量看成是原子核坐标的函数,其贡献来自诸如键的伸缩、单键键角的张合与旋转等。
从本质上讲分子力学方法是能量最小化方法。
即在原子间作用势下改变体系中粒子的几何位型,直到体系的能量达到最小值,此时即为体系的最佳构型。
分子力学中用力场来描述分子中各原子间的相互作用。
力场是指描述各种形式的相互作用对分子能量影响的函数,其有关参数、常数和表达式通常称为力场。
一般力场的表达式为:
E=Estretch+Ebend+Estorsion+Evdw+Eelec+……其中,Estretch为键的伸缩能,Ebend为键的弯曲能,两者皆采用谐振子模型;Estorsion为键的扭曲势,它采用傅里叶级数形式来描述;Evdw、Eelec为非键作用项,分别表示范德华相互作用和静电相互作用
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