纳米颗粒与表面活性剂形成的超分子结构及稳定驱油泡沫的分子机理研究

The objective of this project is to study the intermolecular forces between nanoparticles and surfactants, at the solid/liquid and gas/liquid interfaces, and the subsequent formation of supramolecules by atomic force microscopy (AFM), quartz crystal microbalance (QCM), rheometer, etc. The characterization and establishment of their adsorption or self-assembly mechanism could provide the thermodynamic understanding of some engineering application such as how functional nanoparticles or supramolecules assist the enhanced oil recovery practice (EOR) in the foam system. By measuring the surface forces and interaction free energy, the effects of aqueous factors such as counterions – particularly the divalent ions – on the conformation and properties of nanoparticles and surfactants will be illustrated. A clear understanding of the complex nanoparticle/surfactant regulatory mechanism, together with a well-defined relationship between counterion type and their surface charges, would not only develop and expand the DLVO theory on the EOR through nanoparticle and gas/liquid foam, but also visualize and explore the permeation activity in the porous medium, hence provide the theoretical ground for the innovation of nanomaterial design in the profile control and oil displacement system.

本项目旨在分子层面上研究纳米颗粒与表面活性剂在固液及气液界面上的分子间作用力变化，利用原子力显微镜（AFM）、石英晶体微天平（QCM）和界面流变仪等手段检测它们在不同溶液条件下相互作用，吸附或自组装形成的超分子结构的过程和分子机理；在所形成的功能化纳米颗粒（超分子结构）的基础上，对其分子热力学特性与实际工程应用的宏观性质进行半定量关联。通过测量计算界面层的表面力与自由能，揭示溶液环境包括阳离子类型，尤其是二价离子对纳米颗粒与表面活性剂组成的复合体系的超分子结构影响。研究在纳米颗粒和泡沫液膜表面的分子层之间的表面力和自由能的调控机理，明确阳离子类型与颗粒、表面活性剂表面电荷及界面拓扑结构的关系，发展和完善DLVO理论在纳米颗粒泡沫驱油领域的应用，并由可视化驱替装置研究其在多孔介质中的渗流规律，为未来新型纳米驱油材料的分子系统设计奠定理论基础。

泡沫流体因其自身特有优势备受研究者与石油工程师关注，是一项重要的提高采收率的手段。但由于泡沫在本质上是热力学不稳定体系，其稳定性制约了在油田的应用。在本研究中，我们通过引入二氧化硅纳米颗粒，通过其与表面活性剂的协同作用来增加泡沫的稳定性。.本项目主要完成了如下几方面的研究工作：通过化学与物理方法对二氧化硅纳米颗粒的表面进行了改性修饰，研究了不同表面性质的二氧化硅颗粒与不同类型表面活性剂对驱油泡沫的协同稳泡作用；通过表面张力、zeta电位、界面流变性和表面吸附的测定，建立了表面活性剂与纳米颗粒相互作用模型；研究了温度、pH、盐离子种类与浓度对泡沫稳定性影响的规律与机理；评价了复合泡沫体系在多孔介质的稳定性，进行了封堵性能和驱油效果评价。.化学改性和阳离子表面活性剂物理吸附都可以改变二氧化硅的表面性质，疏水性的纳米颗粒与阴离子（SDBS）和阳离子表面活性剂（CTAB、CPC）复配，都可以改善泡沫稳定性；亲水性纳米颗粒不能增加阴离子表面活性剂的泡沫稳定性，但是可以增加阳离子表面活性剂的泡沫稳定性；对于非离子表面活性剂与Gemini型阳离子表面活性剂复配体系，亲水性二氧化硅纳米颗粒可大大增加其稳定性。.通过zeta电位、动态表面张力、界面流变性和表面活性剂吸附的测定，我们认为纳米颗粒在液膜表面的吸附能够减缓离子型表面活性剂的扩散速度，改变液膜的强度，从而改善泡沫的稳定性。在非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂复配体系中，合适的表面活性剂浓度不仅可以改变表面性质，而且可以促进非离子表面活性剂的吸附，更好地在液膜上形成超分子体系来稳定泡沫；二氧化硅颗粒的带电性可以影响表面活性剂吸附，并可基于此改变其带电性质，从而影响泡沫的稳定性。不同类型的离子型表面活性剂与不同表面性质的纳米颗粒构成的复合泡沫体系稳定机理并不相同，但表面活性剂在纳米颗粒表面的吸附及纳米颗粒/表面活性剂超分子结构在液膜表面的有效吸附是影响泡沫稳定性的两个关键因素。.无机离子的加入，会影响表面活性剂与纳米颗粒的作用，但复合泡沫体系能够在一定程度上耐受盐离子，其对二价离子耐受性不如一价离子；复合泡沫体系具有较好的温度耐受性；因pH变化会影响表面活性剂在纳米颗粒表面的吸附以及纳米颗粒的带电性，故复合泡沫体系稳定性受pH影响。.相比仅有表面活性剂的普通泡沫体系，复合泡沫体系在多孔介质中也有较好的稳定性，展现出了较好的封堵能