اندازه‌گیری آزمایشگاهی خواص فوم آبی پایدار شده توسط نانوذره اصلاح شده سیلیکا با سورفکتانت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی نفت، دانشکده نفت و مهندسی شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، ، تهران، ایران

چکیده

در این مطالعه، پایداری فوم آبی توسط نانوذرات اصلاح‌شده با سورفکتانت افزایش یافت. برای درک بهتر رفتار فوم تثبیت شده با مخلوط نانوذره و سورفکتانت، رفتار فوم‌زایی، پایداری، تغییرات ترشوندگی نانوذرات و کشش سطحی برحسب زمان مورد بررسی قرار گرفتند. نتایح زاویه تماس سیستم کلسیت/نفت خام/محلول مولد فوم نشان داد اضافه کردن سورفکتانت CTAB به نانوسیال سیلیکا منجر به تغییر ترشوندگی نانوذره می‌شود. در غلظت یک برابر غلظت بحرانی مایسلی از سورفکتانت، نانوذره بیشترین تغییر ترشوندگی به‌سمت آب‌گریزی را تجربه می‌کند و زاویه تماس آن از °20 در زمان صفر به °57 در زمان h 24 می‌رسد. در غلظت ذکر شده کشش سطحی به حداکثر مقدار خود می‌رسد. این پدیده به کاهش سورفکتانت‌های آزاد در اثر جذب سطحی بر نانوذره نسبت داده شد. رفتار پایداری و فوم‌زایی توسط روش راس-مایلز مورد بررسی قرار گرفت. فوم تثبیت شده با نانوذرات در مقادیر کم آب‌گریزی و در ابتدای عمر، دارای نمودار تحلیل‌رفتگی خطی و مشابه با فوم پایدار شده با سورفکتانت تنها بود. بنابراین پایداری ابتدای عمر فوم توسط سورفکتانت‌های آزاد کنترل می‌شود. با گذشت زمان، با برجسته شدن سازوکار‌های پل‌زنی ذرات، افزایش حداکثر فشار مویینگی انعقاد و افزایش گرانروی توده مایع، پایداری فوم توسط نانوذره کنترل می‌شود و به‌صورت معنی داری افزایش می‌یابد. در مقادیر بالای آب‌گریزی نانوذره (نزدیک به CMC 1)، علاوه‌بر سورفکتانت، نانوذرات نیز به‌عنوان فعال‌سطحی عمل می‌کنند زیرا نمودار تحلیل رفتگی خطی  که در مقادیر آب‌گریزی کم مشاهده شده بود در این نمونه مشاهده نمی‌شود. بنابراین، ابتدای عمر فوم توسط هر دو نانوذره و سورفکتانت آزاد کنترل می‌شود. نتایج نشان داد رفتار فوم‌زایی محلول‌های مولد فوم مشابه رفتار کشش سطحی است. همچنین، تغییر ترشوندگی نانوذره که دارای زمان تعادل طولانی مدت است به‌عنوان سازوکار پیشنهادی برای پایداری بالای فوم تثبیت شده با نانوذره در نیمه دوم عمر آن پیشنهاد می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Measurement of Properties of Aqueous Foam Stabilized by Modified Silica Nanoparticles Using Surfactant

نویسندگان [English]

  • Majid Owji
  • Mohammad Taghizadeh Sarvestani
  • Mohammad Behnood
  • Ali Esfandyari Bayat
Department of Petroleum and Chemical Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this study, stability of aqueous foam is increased by modified nanoparticles using surfactant. To better understand the behavior of stabilized foam with nanoparticles and surfactants, foam ability, stability, wettability changes of nanoparticle, and interfacial tension versus time were investigated. The results of contact angle of calcite/crude-oil/foam agent solution showed that adding CTAB surfactant to silica nanofluid changes the wettability of nanoparticles. At a concentration of critical micelle concentration of surfactant, the nanoparticle experiences the greatest change in wettability towards hydrophobicity, and contact angle increases from 20° at initial time to 57° after 24 hours. The results showed that at the mentioned concentration, the interfacial tension reaches its maximum value. This phenomenon was attributed to the reduction of free surfactants due to adsorption on the nanoparticles. Stability and foaming behaviors were investigated by Ross-Miles method. Foam stabilized with nanoparticles at low hydrophobic values at the beginning of life had a linear decay diagram similar to foam stabilized with surfactant alone. Therefore, the initial stability of the foam is controlled by the free surfactant. Later, the stability of the foam is controlled by the nanoparticles and increases substantially as the bridging mechanisms become more prominent, maximum capillary pressure increases, and viscosity of the liquid bulk increases. At high levels of nanoparticle hydrophobicity (close to CMC 1), the nanoparticles act as surfactants and no longer have the sharp linear drop observed in other samples with low adsorption values. Therefore, the beginning of the foam life is controlled by both nanoparticles and free surfactant. The results showed that the foaming behavior of foam generating solutions is similar to the interfacial tensile behavior. Also, the change in wettability of nanoparticles, which had a long equilibrium time, was proposed as a mechanism for high stability of nanoparticle-stabilized foam in the second half of its life.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • aqueous foam
  • surface wettability of nanoparticles
  • Interfacial Tension
  • Foam Stability
  • dynamic behavior of foam
[1]. Zhdanov S A, Amiyan A, Surguchev L M, Castanier L M, Hanssen J E (1996) Application of foam for gas and water shut-off: review of field experience, Presented at the European Petroleum Conference. ##
[2]. Wang G (1984) A laboratory study of CO2 foam properties and displacement mechanism, presented at the SPE Enhanced Oil Recovery Symposium. ##
[3]. Binks B P (2002) Particles as surfactants—similarities and differences, Current Opinion in Colloid and Interface Science, 7, 1: 21–41. ##
[4]. Dickson J L, Binks B P, Johnston K P (2004) Stabilization of carbon dioxide-in-water emulsions with silica nanoparticles, Langmuir, 20, 19: 7976–7983. ##
[5]. Adkins S S, Gohil D, Dickson J L, Webber S E, Johnston K P (2007) Water-in-carbon dioxide emulsions stabilized with hydrophobic silica particles, Physical Chemistry Chemical Physics, 9, 48: 6333–6343. ##
[6]. Binks B, Lumsdon S (2000) Influence of particle wettability on the type and stability of surfactant-free emulsions, Langmuir, 16, 23: 8622–8631. ##
[7]. Schulman J, Leja J (1954) Control of contact angles at the oil-water-solid interfaces, Emulsions stabilized by solid particles (BaSO4), Transactions of the Faraday Society, 50: 598–605. ##
[8]. Denkov N, Ivanov I, Kralchevsky P, Wasan D (1992) A possible mechanism of stabilization of emulsions by solid particles, Journal of Colloid and Interface Science, 150, 2: 589–593. ##
[9]. Kaptay G (2006) On the equation of the maximum capillary pressure induced by solid particles to stabilize emulsions and foams and on the emulsion stability diagrams, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 282: 387–401. ##
[10]. Aveyard R, Binks B, Fletcher P, Peck T, Rutherford C (1994) Aspects of aqueous foam stability in the presence of hydrocarbon oils and solid particles, Advances in Colloid and Interface Science, 48: 93–120. ##
[11]. Horozov T S (2008) Foams and foam films stabilised by solid particles, Current Opinion in Colloid and Interface Science, 13, 3: 134–140. ##
[12]. Horozov T S, Aveyard R, Clint J H, Neumann B (2005) Particle zips: vertical emulsion films with particle monolayers at their surfaces, Langmuir, 21, 6: 2330–2341. ##
[13]. Carn F, Colin A, Pitois O, Vignes-Adler M, Backov R (2009) Foam drainage in the presence of nanoparticle− surfactant mixtures, Langmuir, 25, 14: 7847–7856. ##
[14]. Yu J, Liu N, Li L, Lee R L (2012) Generation of Nanoparticle-Stabilized Supercritical CO2 Foams, presented at the Carbon Management Technology Conference. ##
[15]. Binks B, Fletcher P (2001) Particles adsorbed at the oil-water interface: A theoretical comparison between spheres of uniform wettability and ‘Janus’ particles, Langmuir, 17, 16: 4708–4710. ##
[16]. Glaser N, Adams D J, Böker A, Krausch G (2006) Janus particles at liquid-liquid interfaces, Langmuir, 22, 12: 5227–5229.
[17]. Yu J, An C, Mo D, Liu N, Lee R L (2012) Foam mobility control for nanoparticle-stabilized supercritical CO2 foam, presented at the SPE Improved Oil Recovery Symposium. ##
[18]. Espinosa D R (2011) Nanoparticle-stabilized supercritical CO₂ foams for potential mobility control applications. ##
[19]. Hurtado Y, Franco C A, Riazi M, Cortés F B (2020) Improving the stability of nitrogen foams using silica nanoparticles coated with polyethylene glycol, Journal of Molecular Liquids, 300: 112256. ##
[20]. Li Z, Liu Z, Li B, Li S, Sun Q, Wang S (2012) Aqueous foams stabilized with particles and surfactants, Presented at the SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition. ##
[21]. Gonzenbach U T, Studart A R, Tervoort E, Gauckler L J (2006) Ultrastable particle‐stabilized foams, Angewandte Chemie International Edition, 45, 21: 3526–3530. ##
[22]. ماه‌پیشانیان ا م، شاهوردی ح ر، سیم‌جو م و زائری م ر (1399) بررسی آزمایشگاهی تأثیر نانو ذره سیلیکا بر تغییر ترشوندگی و ازدیاد برداشت نفت از مخازن کربناته با استفاده از آب کم نمک، پژوهش نفت، 30، 115: 20 - 3. ##
[23]. بهمنی پ، ریاحی س، امین‌شهیدی ب و پورنیک م (1397) مدل‌سازی اثر نانوذرات برروی بهینه‌سازی فرآیند انحلال و خود انحرافی اسید در مخازن کربناته و مقایسه آن با اسید معمولی، پژوهش نفت، 28، 103: صفحات 17 - 4. ##
[24]. Hunter T N, Wanless E J, Jameson G J, Pugh R J (2009) Non-ionic surfactant interactions with hydrophobic nanoparticles: Impact on foam stability, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 347, 1: 81–89. ##
[25]. Cui Z G, Cui Y Z, Cui C F, Chen Z, Binks B (2010) Aqueous foams stabilized by in situ surface activation of CaCO3 nanoparticles via adsorption of anionic surfactant, Langmuir, 26, 15: 12567–12574. ##
[26]. Binks B P, Kirkland M, Rodrigues J A (2008) Origin of stabilisation of aqueous foams in nanoparticle–surfactant mixtures, Soft Matter, 4, 12: 2373–2382. ##
[27]. R Singh, Mohanty K K (2014) Synergistic stabilization of foams by a mixture of nanoparticles and surfactants, presented at the SPE Improved Oil Recovery Symposium. ##
[28]. Yazhgur P, Noskov B A, Liggieri L, Lin S Y, Loglio G, Miller R, Ravera F (2013) Dynamic properties of mixed nanoparticle/surfactant adsorption layers, Soft Matter, 9, 12: 3305–3314. ##
[29]. Arriaga L R, Drenckhan W, Salonen A, Rodrigues J A, Iniguez-Palomares R, Rio E, Langevin D (2012) On the long-term stability of foams stabilised by mixtures of nano-particles and oppositely charged short chain surfactants, Soft Matter, 8, 43: 11085–11097. ##