عنوان پایان‌نامه
تاثیر برهمکنش نانو ذرات و سورفکتانت بر تنش میان رویه آب-نفت: بررسی آزمایشگاهی و مدلسازی با رویکرد ازدیاد برداشت
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی-مهندسی نفت
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TP 237;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81317;کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1858.;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TP 237;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 81317;کتابخانه پردیس یک فنی شم
- تاریخ دفاع
- ۲۶ دی ۱۳۹۵
- دانشجو
- حمید وطن پرست
- استاد راهنما
- علیرضا بهرامیان, علی یار جوادی
- چکیده
- در این مطالعه آزمایشگاهی تاثیر حضور نانوذرات کروی سیلیکا بر خواص میان-رویه ای سیستم های حاوی سورفکتانت مورد بررسی قرار گرفته است. نانوذرات استفاده شده دارای خاصیت آب دوستی شدید و در ابعاد متفاوت 6، 9 و 30 نانومتر بوده است. آزمایش ها در بازه وسیعی از انواع سورفکتانت ها شامل سورفکتانت های یونی و غیر یونی انجام شده است. آزمایش های اصلی شامل اندازه گیری کشش سطحی/تنش میان-رویه دینامیک و بررسی خواص رئولوژی سطحی بوده است. علاوه بر آن آزمایش های تکمیلی دیگری همچون بررسی خواص فوم و فشرده سازی میان-رویه نیز انجام شده است. همچنین روش آزمایشگاهی جدیدی جهت بررسی جذب نانوذرات و ساختار لایه جذبی آنها در میان-رویه سیال ارائه گردیده است. این روش مبتنی بر فشرده سازی سطح قطره و استفاده از میزان انحراف پروفایل قطره نسبت به حالت لاپلاسی شکل آن بوده است. با تشخیص دقیق حالت بیشینه فشردگی نانوذرات در میان-رویه، پارامترهای مهمی از قبیل تعداد سورفکتانت/ نانوذرات جذب شده در میان-رویه، زاویه تماس نانوذرات و نیروی متقابل آنها به یکدیگر محاسبه گردید. نتایج نشان داد کمپلکس های نانوذره سورفکتانت کاتیونی خواص فعال سطحی به مراتب بیشتری نسبت به مولکول های سورفکتانت خالص داشته و پس از جذب غیر قابل بازگشت به میان رویه، سبب کاهش بیشتر تنش میان-رویه شده اند. در حضور نانوذرات با غلظت دو درصد وزنی، علیرغم کاهش حدوداً 100 برابری تعداد سورفکتانت های جذب شده در میان-رویه، تنش میان-رویه سیستم کاهش بیشتری داشته است. همچنین تاثیر غلظت نانوذرات بیش از میزان کلی سورفکتانت های متصل به نانوذرات بوده است. با افزایش نسبت سورفکتانت به نانوذرات، ممانعت فضایی مولکول های سورفکتانت سبب فاصله بیشتر نانوذرات در میان-رویه و کاهش نسبی سورفکتانت های موثر در کاهش تنش میان-رویه شده است. در حالت تعادلی این فاصله برای غلظت های نیم و دو درصد وزنی نانوذرات (نسبت 11 و دو) به ترتیب 45/4 و 95/1 نانومتر بدست آمد. همچنین در حالت فشرده سازی سطح، فاصله شروع ممانعت فضایی نانوذرات 88/2 نانومتر بوده که همخوانی آن با طول تقریبی مولکول سورفکتانت(85/2 نانومتر)، بیانگر دقت روش ارائه شده و تحلیل های انجام شده بوده است. نتایج بررسی ها بر روی سیستم های سورفکتانت آنیونی نشان داد علیرغم عدم تشکیل کمپلکس سورفکتانت نانوذره و جذب آنها به میان-رویه، حضور نانوذرات در سیستم و دافعه الکتروستاتیکی میان آنها و مولکول های سورفکتانت سبب افزایش خاصیت فعال سطحی سورفکتانت شده است. این تاثیر در غلظت های کمتر سورفکتانت بیشتر و نانوذرات بزرگتر از این لحاظ موثرتر بوده اند. در حضور یک درصد وزنی نانوذرات شش نانومتری در سیستم، پارامترهای ضریب برهمکنش سورفکتانت و فضای اشغال شده توسط آنها در مدل ایزوترم فرامکین، از مقادیر25/0- و5+10×8/1 به 55/5- و4+10×3/7 کاهش یافته است. این مقادیر برای نانوذرات 30 نانومتری به ترتیب 9/8- و4+10×5/5 بوده که بیانگر تاثیر اندازه نانوذرات در جذب بیشتر سورفکتانت در میان-رویه بوده است. با استفاده از نتایج بدست آمده از آزمایش های تنسیومتری و آزمایش های فوم، میزان کمی افزایش خاصیت فعال سطحی سورفکتانت نیز ارزیابی گردید. نتایج بدست آمده برای سورفکتانت های غیر یونی متفاوت از یکدیگر بوده است. نانوذرات تاثیری بر خواص سطحی سورفکتانت محلول در آب نداشته در حالیکه سبب افزایش کم راندمان سورفکتانت محلول در فاز نفتی شده اند. همچنین تاثیر نانوذرات بر خواص سطحی سورفکتانت محلول در دو فاز مشابه با سیستم سورفکتانت آنیونی بوده مبنی بر افزایش خاصیت فعال سطحی سورفکتانت بوده است. میزان کمی افزایش مذکور ارزیابی و نشان داده شد تاثیر نسبی حضور نانوذرات در غلظت های مختلف سورفکتانت یکسان بوده است. کلید واژه ها: و سورفکتانت -برهمکنش نانوذرات -میان-رویه آب/ نفت-ازدیاد برداشت
- Abstract
- In this experimental study, the effect of hydrophilic silica nanoparticles on interfacial properties of surfactant solutions has been investigated. The used nanoparticles were spherical and mono-dispersed, with the average diameter around 6, 9 and 30 nm.The experiments were conducted in a wide range of surfactant type and concentration. The main experiments were dynamic surface/ interfacial tension measurements along with evaluating surface/interfacial rheological properties. In addition, further experiments such as foam properties studies and compression/expansion of interfacial area were performed. Accordingly, a novel method to investigate the adsorption of nanoparticles and their absorption layer structure at interface has been proposed. This method was based on the analyzing the standard deviations of experimental drop profiles from Young-Laplace equation during large compression/expansion cycles of drop surface. Some important parameters such as the number of surfactant-nanoparticle complexes at interface, nanoparticles contact angle and mutual force between them were calculated by accurately assessing the surface coverage at the maximum packing of particles at the interface. According to results, the complexes of nanoparticle-cationic surfactant (CTAB) had more surface activity than pure surfactant molecules and were more efficient on reducing ST/IFT by irreversible adsorption at interface. In presence of nanoparticle at concentration of 2 wt. %, the IFT was reduced more despite the decline of the overall number of adsorbed surfactant at the interface by approximately 100 times. The results for other nanoparticle concentrations also indicated that the effect of nanoparticle concentrations was more than that of the overall number of surfactant adsorbed at interface along with nanoparticles. It was shown that with increasing the ratio of surfactant molecules to nanoparticle, as a results of steric hindrance between surfactant molecules attached to nanoparticles surface, the distances between nanoparticles at the interface increase and hence, the relative number of surfactants which are effective on IFT, decrease. At equilibrium state, these distances were calculated 4.45 and 1.95 nm for nanoparticle concentration of 0.5 and 2 wt. %, respectively. In addition, in the course of compression, the calculated initial distance of starting steric hindrance was 2.88 nm and in accordance with CTAB molecule size (2.85 nm) which indicate the accuracy of the proposed method and the subsequent analysis has been done. The results of investigations on anionic surfactants systems (SDS & DBSA) showed that in these systems the original non-surface active property of nanoparticles remains unchanged and the complexes of nanoparticle-surfactant are not formed. However, in presence of silica particles, the surface activity of anionic surfactant considerably increases as a results of the repulsive electrostatic interactions between surfactant molecules and nanoparticles. The larger nanoparticles have been more effective in increasing surfactants surface activity and this effect has been greater at lower concentration of surfactants. In the presence of 6 nm silica particles at concentration of 1 wt. %, parameters of Frumkin isotherm model for surfactant interactions coefficient (a) and the interface area occupied by them (w) decrease from -0.25 and 1.8×10+5 to -5.55 and 7.3×10+4, respectively. For a system containing nanoparticles of 30 nm at the same concentration, these values were -8.9 and 5.5×10+4 which illustrate the effect of the presence and size of nanoparticles on the amount of surfactants adsorption at the interface. The impact of the nanoparticles on the surface activity of surfactant molecules was quantified and separately measured using the tensiometry and foamability results. The results for non-ionic surfactants are different from each other. Nanoparticles have no effect on the surface properties of water-soluble surfactants (Triton X-100) while increasing the efficiency of the oil-soluble surfactant (Span-80). However, this effect was less than the observed effect in systems containing ionic surfactants. The effect of silica nanoparticles on the surface properties of the surfactant soluble in both phases (C12DMPO) was similar to that of anionic surfactants systems which the surface activity of surfactant considerably increases in presence of particles. This increase was quantified and it was shown that the relative effect of the presence of nanoparticles was the same at different concentrations of surfactant.
