بررسی اثر جریان مارانگونی و چینش مولکولی در پایداری فوم ایجاد شده توسط نانوذرات- مطالعه آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 انستیتو مهندسی نفت، دانشکده‌ مهندسی شیمی، دانشگاه تهران، ایران

2 پژوهشکده مهندسی نفت، پردیس توسعه صنایع بالادستی نفت، پژوهشگاه صنعت نفت،‌ تهران، ایران

10.22078/pr.2022.4686.3105

چکیده

استفاده از نانو ذرات به‌همراه سورفکتانت برای تولید و پایدار کردن فوم می‌تواند باعث رفع محدودیت‌های استفاده از سورفکتانت شود و پایداری فوم را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. هدف اصلی مطالعه حاضر بررسی و پیدا کردن نحوه چینش نانوذرات و مولکول‌های سورفکتانت در سطح تماس و تأثیر جریان مارانگونی در پایداری فوم در حضور نانوذرات است. در این مطالعه، آزمایشات برای دو سیستم فوم مختلف: (1) نانوذرات آنیونی-سورفکتانت کاتیونی (CTAB) و (2) نانوذرات آنیونی-سورفکتانت آنیونی (SDS) انجام شدند. برای تعیین چینش مولکول‌های سورفکتانت و نانوذرات در سطح تماس و فیلم مایع و تعیین اثر مارانگونی نتایج این آزمایش‌ها با آزمایش‌های پایه متناظر در غیاب نانوذرات مقایسه شدند. مشاهدات نشان می‌دهند اگرچه حضور نانوذرات باعث افزایش پایداری فوم در هر دو سیستم می‌شود، اما مکانیسم‌های موثر در پایداری سیستم‌ها متفاوت هستند. براساس مشاهدات، حضور نانوذرات در سیستم فوم SDS (همبار) باعث افزایش فوم‌زایی و پایداری فوم می‌شود، اما در سیستم فوم CTAB (ناهمبار) علی‌رغم کاهش فوم‌زایی، پایداری فوم افزایش می‌یابد. بنابر مشاهدات ذکر شده در سیستم همبار مؤثرترین عامل در پایداری فوم، نیروهای دافعه هستند که مولکول‌های سورفکتانت بیشتری را به‌سطح تماس ارسال می‌کنند. تحلیل نتایج کشش سطحی نشان داد در این سیستم جریان مارانگونی با اثر منفی تخلیه مایع در اثر گرانش مقابله می‌کند و باعث پایداری فوم می‌شود. از سوی دیگر در سیستم ناهمبار حضور نانوذرات در سطح تماس با کاهش نفوذمولکولی و افزایش انرژی جدا کردن ذرات باعث افزایش پایداری فوم می‌شود. حضور نانوذرات در سطح تماس آن را به یک سطح جامد مانند تبدیل می‌کند و به‌علت الاستیسته بالای سطح جریان مارانگونی اتفاق نمی‌افتد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the Effect of Marangoni Flow and Molecular Arrangement on the Stability of Nanoparticle-stabilized Foam- An Experimental Study

نویسندگان [English]

  • Fateme Reisi 1
  • Maryam Khosravi 2
  • Behzad Rostami 1
  • Hamid Vatanparast 2
  • Alireza Fathollahi 1
1 Institute of Petroleum Engineering, School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Iran
2 Petroleum Engineering Research Division, Faculty of Research and Development in Upstream Petroleum Industry (FRDUPI), Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran
چکیده [English]

The main purpose of this study is to determine the molecular arrangement in lamella and the role of Marangoni convection in foam stability in the presence of nanoparticles. Experiments were conducted in two different foam systems of (1) anionic nanoparticles-cationic surfactant (CTAB) and (2) anionic nanoparticles-anionic surfactant (SDS). Observations showed that the effective mechanisms of stability are different. Although nanoparticles increase the stability of both foam systems, the presence of nanoparticles in the like-charge system improves foamability. In contrast, in the unlike-charge system, foamability decreases with the increment of nanoparticle concentration. The most influential factor in the foam stability in the like-charge case is the repulsive force which sends more surfactant molecules to the interface. Surface tension results demonstrate that Marangoni flow restitutes the negative impact of gravity drainage and increases the foam stability. In contrast, In the unlike-charge system, the presence of nanoparticles at the interface increases detachment energy significantly, and as a result, the stability boosts. The accumulation of nanoparticles in the interface changes it to a solid-like and high elasticity surface; thus, Marangoni flow is lost.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Faom
  • Foam Stability
  • Foamability
  • Nanoparticles
  • Marangoni Flow
  • Molecular Arrangement
[1]. Green D W, Willhite G P (1998) Enhanced oil recovery, Henry L. Doherty Memorial Fund of AIME, Society of Petroleum Engineers. ##
[2]. Singh R, Mohanty K K (2016) Foams stabilized by in-situ surface-activated nanoparticles in bulk and porous media, SPE Journal, 21: 121-130. ##
[3]. Maini B Ma V (1984) Relationship between foam stability measured in static tests and flow behavior of foams in porous media, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, OnePetro. ##
[4]. Sohrabi M, Danesh A, Tehrani D H, Jamiolahmady M (2008) Microscopic mechanisms of oil recovery by near-miscible gas injection, Transport in Porous Media, 72: 351-367. ##
[5]. Madadizadeh A, Sadeghein A, Riahi S (2020) The use of nanotechnology to prevent and mitigate fine migration: a comprehensive review, Reviews in Chemical Engineering. ##
[6]. Khoshnevis N, Mahani H, Rehling J (2017) Investigation of pressure transient behavior during Injection Fall-off (IFO) test in foam flooding, Journal of Petroleum Science and Engineering,149: 860–872. ##
[7]. Shojaiepour M, Rashidi F, Dabir B, Amirsardari M (2021) Investigation of foam injection scenarios to control the gas oil ratio in carbonate reservoirs with permeability heterogeneity: simulation of the process in an oil reservoir sector, Journal of Petroleum Research, 31, 119: 3-14. ##
[8]. Khoshkalam Y, Khosravi M, Rostami B (2019) An experimental investigation on foam injection in a fractured matrix: effect of viscous cross flow, Journal of Petroleum Research, 29, 98-2: 61-71. ##
[9]. Weber E H (1854) Mikroskopische beobachtungen sehr gesetzmäβiger bewegungen, welche die bildung von niederschlgen harziger körper aus weingeist begleiten berichte über die verhandlungender königlich schsischen gesellschaft der wissenschaften, Mathematisch–Physische Classe, 57. ##
[10]. Thiele R, Brettschneider O, Repke J U, Thielert H, Wozny G (2003) Experimental investigations of foaming in a packed tower for sour water stripping, Industrial and Engineering Chemistry Research, 42: 1426-1432. ##
[11]. Khosravi M, Bahramian A, Emadi M, Rostami B, Roayaie E (2014) Effect of Marangoni flow on recovery of bypassed oil during CO2 injection, Journal of Petroleum Science and Engineering, 114: 91-98. ##
[12]. Singh R, Mohanty K K (2014) Synergistic stabilization of foams by a mixture of nanoparticles and surfactants, SPE Improved Oil Recovery Symposium, OnePetro. ##
[13]. Nguyen P, Fadaei H, Sinton D (2014) Nanoparticle stablized CO2 in water foam for mobility control in enhanced oil recovery via microfluidic method, SPE Heavy Oil Conference-Canada, OnePetro. ##
[14]. Ma H, Luo M, Dai L L (2008) Influences of surfactant and nanoparticle assembly on effective interfacial tensions, Physical Chemistry Chemical Physics, 10: 2207-2213. ##
[15]. Maestro A, Rio E, Drenckhan W, Langevin D, Salonen A (2014) Foams stabilised by mixtures of nanoparticles and oppositely charged surfactants: relationship between bubble shrinkage and foam coarsening, Soft Matter, 10: 6975-6983. ##
[16]. Yang W, Wang T, Fan Z, Miao Q, Deng Z, Zhu Y (2017) Foams stabilized by in situ-modified nanoparticles and anionic surfactants for enhanced oil recovery, Energy and Fuels, 31: 4721-4730. ##
[17]. Zhao J, Torabi F, Yang J (2021) The synergistic role of silica nanoparticle and anionic surfactant on the static and dynamic CO2 foam stability for enhanced heavy oil recovery: An experimental study, Fuel, 287: 119443. ##
[18]. Rosen M, Solash J (1969) Factors affecting initial foam height in the Ross‐Miles foam test, Journal of the American Oil Chemists› Society, 46: 399-402. ##
[19]. John R, Miles, G. D (1941) An apparatus for comparison of foaming properties of soaps and detergents, Oil and Soap, 18, 5: 99–102. ##
[20]. Vatanparast H, Samiee A, Bahramian A, Javadi A (2017b) Surface behavior of hydrophilic silica nanoparticle-SDS surfactant solutions: I. Effect of nanoparticle concentration on foamability and foam stability, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 513: 430-441. ##
[21]. Binks B P, Lumsdon S (2000) Influence of particle wettability on the type and stability of surfactant-free emulsions, Langmuir, 16: 8622-8631. ##
[22]. Vatanparast H, Javadi A, Bahramian A (2017a) Silica nanoparticles cationic surfactants interaction in water-oil system, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 521: 221-230. ##
[23]. Saranjam N, Chandra S, Mostaghimi J, Fan H, immer J (2016) Orange peel formation due to surface tension-driven flows within drying paint films, Ournal of Coatings Technology and Research, 13, 3: 413–426. ##