Ingeniører får fat i glatte overfladeaktive stoffer

En Rice University-gruppes innovative overfladeaktive teori fjerner begrænsningerne for en 100 år gammel model for grænsefladeadfærd i forbedret olieudvinding.

Laboratoriet af Rice kemiingeniør Walter Chapman tilpassede en slidt model til at analysere væsker indeholdende overfladeaktive stoffer, der pumpes ind i brønde for at lokke så meget olie som muligt ud af klipper dybt under jorden.

For at udføre modelleringsopgaven krævede det et tankeskifte for laboratoriet, der bruger sofistikerede matematiske modeller til at analysere, hvordan væsker interagerer med hinanden og de strukturer, der indeholder dem. Forskerne brugte en standard termodynamisk modelleringsmetode kendt som density gradient theory (DGT), som er blevet brugt til at forudsige grænsefladeegenskaberne af rene og blandede systemer. De modificerede DGT-modellen for bedre at karakterisere overfladeaktive molekyler, der i virkeligheden er langt mere komplekse end tidligere modeller tillod.

Det kunne hjælpe producenterne med at presse endnu mere olie ud af brønde, som ellers ville blive betragtet som udspillede.

Arbejdet ledet af Chapman og Rice kandidatstuderende Xiaoqun Mu vises i American Chemical Society journal Industriel og teknisk kemiforskning .

Molekylerne i overfladeaktive stoffer har hydrofile (vandtiltrækkende) og hydrofobe (vandundgående) dele. Sæbe er en type overfladeaktivt middel designet til at adskille forurenende stoffer fra hud eller stof og tillade dem at blive båret væk af vand. Overfladeaktive stoffer fungerer stort set på samme måde i brønde, hvor de reducerer overfladespændingen mellem sten, vand og olie, frigivelse af olien, der skal pumpes til overfladen.

Olieproducenter vil gerne vide, hvordan et overfladeaktivt stof vil reagere, når det når en rig formation. Fordi eksperimentelle målinger er dyre og tidskrævende, mange modeller er blevet udviklet til at forudsige overfladeaktive virkninger. Indtil nu, DGT-formlerne brugt til at forudsige disse reaktioner har behandlet overfladeaktive molekyler som et enkelt punkt snarere end de komplekse kæder, de i virkeligheden er.

"Det er en begrænsning i modellerne, " sagde Chapman. "DGT-modellen har aldrig haft evnen til at beskrive, hvordan væskeegenskaber påvirkes af molekylets form."

Mu hentede inspiration fra Rice-kolleger, der bygger beregningsmodeller med tæthedsfunktionsteori, som bruges til at analysere strukturerne af atomare og molekylære systemer.

"Jeg har brugt DGT siden det første år af min ph.d., så jeg havde en ganske omfattende forståelse af modellens fordele og ulemper. Dens natur afholdt os fra at anvende den på molekyler med amfifile (overfladeaktive) kædestrukturer, " sagde han. "Men modellen er enkel sammenlignet med andre, og vi så potentialet til at udvide det til at håndtere overfladeaktive stoffer.

"Inspireret af vores gruppes arbejde med tæthedsfunktionel teori, vi skabte ideen om, at det overfladeaktive stof-molekyle kan modelleres i DGT ved at forbinde en hydrofil hovedgruppe til en hydrofob halegruppe, " sagde Mu. "Med hjælp fra flere kolleger, vi udviklede en enkel måde at tilføje dette kædedannelsesudtryk til tæthedsgradientteori."

Det er ikke nok at tage højde for det overfladeaktive stofs sofistikerede; modellen skal også inkludere temperatur, tryk, sammensætning og andre forhold i brønden. Når det kombineres, det inkorporerer mere af fysikken i spil mellem alle molekylerne og giver ingeniører en bedre idé om den passende blanding at injicere.

Fordi overfladeaktive stoffer er en del af så mange industrielle produkter, såsom rengøringsmidler og dispergeringsmidler, Chapman sagde, at modelleringsteknikken kunne have bred anvendelse. "Vi ønsker, at vores tæthedsgradientteori skal være enkel nok til, at folk kan bruge den, " sagde han. "DGT formodes at være en hurtigere beregning at lave."

Til det formål, Mu sagde, at intet blev holdt tilbage fra offentliggørelsen. "Vi har vedhæftet et meget detaljeret bilag, " sagde han. "Vi forklarer 100 procent af, hvordan vi udledte og anvendte denne model, så folk kan implementere den eller forbedre den yderligere."